微波誘導(dǎo)活性炭氧化降解陽離子紅GTL廢水的特性

1、微波誘導(dǎo)活性炭氧化降解陽離子紅GTL廢水的特性張亞平1，蔡慧農(nóng)1，韋朝海2，林鄭忠1，林錦美11. 集美大學(xué)環(huán)境工程研究所，福建 廈門 361021，2. 華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640摘要：采用微波誘導(dǎo)氧化工藝技術(shù)，以活性炭為催化劑，對陽離子紅GTL染料廢水進(jìn)行氧化處理，考察了活性炭用量、微波功率、反應(yīng)時(shí)間及染料初始質(zhì)量濃度對陽離子紅GTL去除率的影響，利用SEM/EDS、BET表征了反應(yīng)前后活性炭的結(jié)構(gòu)及組分變化。結(jié)果表明：微波和活性炭具有協(xié)同效應(yīng)；在pH=7.0，活性炭用量4 g，陽離子紅質(zhì)量濃度為50 mg·L-1，微波功率300 W，反應(yīng)時(shí)間4 m

2、in的條件下，陽離子紅GTL去除率達(dá)到9%；活性炭的結(jié)構(gòu)與組分影響陽離子紅GTL的微波處理效果。關(guān)鍵詞：水處理；微波誘導(dǎo)氧化工藝；活性炭；染料廢水中圖分類號：X 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-2175（2008）05-1792-04微波作為一種波長短，頻率高、輻射快的電磁波，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等領(lǐng)域。研究表明，微波加熱具有選擇性。根據(jù)對微波的接受程度不同，一般將物質(zhì)大致分為微波導(dǎo)體、微波絕緣體和微波吸收體。微波吸收體相當(dāng)于一種“敏化劑”作催化劑或催化劑載體，就可在微波輻照下實(shí)現(xiàn)所謂的微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)1。微波誘導(dǎo)氧化技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究已成為研究的熱點(diǎn)之一2-6

3、，研究中利用活性炭作為誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的催化劑的報(bào)道較多7-10，但是對活性炭誘導(dǎo)催化的深層次機(jī)理問題還有待于進(jìn)一步回答。染料廢水主要來源于染料及染料中間體生產(chǎn)行業(yè)，其組分復(fù)雜、濃度高、色度大，是一類較為難降解的有機(jī)廢水。染料作為主要的環(huán)境污染物，全世界每年排放到環(huán)境中的染料占其生產(chǎn)總量的15%11，偶氮染料是商業(yè)產(chǎn)品中最重要的染料系列，占工業(yè)應(yīng)用染料的50%以上12，厭氧環(huán)境情況下形成芳胺類化合物具有致癌性，屬于持久性有機(jī)污染物。陽離子紅GTL（堿性紅18）作為一種重要的具有代表性的陽離子偶氮染料，廣泛地應(yīng)用于腈綸及其混紡織物的印染，它的微波處理目前還未見報(bào)道，本文利用活性炭作為誘導(dǎo)催化劑降解陽

4、離子紅GTL模擬廢水，嘗試說明陽離子紅GTL的降解效果，進(jìn)一步闡明活性炭誘導(dǎo)催化的機(jī)理。1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 儀器與試劑 顆?；钚蕴?、上海恒信化學(xué)試劑有限公司，陽離子紅GTL為化學(xué)純，廣東汕頭西隴化工廠；Carry 50 型紫外-可見分光光度計(jì)，東南化學(xué)儀器有限公司；夏普R-5880型微波爐，pHS-25型數(shù)顯pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司。1.2 實(shí)驗(yàn)方法取50 ml調(diào)好pH值的一定濃度的陽離子紅GTL 模擬廢水倒入錐型瓶中，加入一定量的活性炭，微波輻射一定時(shí)間后，冷卻至室溫，溶液補(bǔ)加蒸餾水至50 ml，在530 nm測定其吸光度，計(jì)算染料去除率。2 結(jié)果與討論2.1 微波活性炭系統(tǒng)降解陽離

5、子紅GTL研究 活性炭用量對陽離子紅GTL去除的影響，陽離子紅質(zhì)量濃度為50 mg·L-1，微波功率為300 W，反應(yīng)時(shí)間4 min時(shí)，考察了活性炭用量對陽離子紅GTL降解的影響，結(jié)果見圖1。從圖中可以看出，隨著催化劑用量的增加脫色率逐漸提高，這是因?yàn)榇呋瘎┑牧吭蕉?，提供的用于吸附降解有機(jī)物的活性點(diǎn)位或“熱點(diǎn)”也越多，當(dāng)加入量達(dá)到 g時(shí)，陽離子紅GTL的去除率增加不大。 微波功率對陽離子紅GTL去除的影響 在pH為7.0，陽離子紅質(zhì)量濃度為50 mg·L-1，反應(yīng)時(shí)間4 min，活性炭用量 g時(shí)，研究微波功率對陽離子紅降解的影響。結(jié)果見圖2。功率增大有助于陽離子紅染料去除，

6、當(dāng)微波輻射功率為300 W，去除率隨功率提高增幅變化不大，微波功率選為300 W。 反應(yīng)時(shí)間對陽離子紅GTL去除的影響在pH為7.0，陽離子紅質(zhì)量濃度為50 mg·L-1，微波功率為300 W，活性炭用量 g時(shí)，研究微波反應(yīng)時(shí)間對陽離子紅降解的影響。結(jié)果如圖3所示。微波輻射時(shí)間對去除效果有較大影響，隨著時(shí)間延長，去除率提高，當(dāng)輻射時(shí)間為4 min時(shí)，染料去除率達(dá)到99.4%。繼續(xù)延長時(shí)間，去除率提高不大。圖1 活性炭用量對陽離子紅GTL去除的影響Fig. 1 Effect of activated carbon usage on removal of cationic red GTL

7、圖2 微波功率對陽離子紅GTL去除的影響Fig. 2 Effect of microwave power on removal of cationic red GTL 染料質(zhì)量濃度對陽離子紅GTL去除的影響 在pH為7.0，微波功率為300 W，活性炭用量 g，反應(yīng)時(shí)間4 min時(shí)，研究了染料質(zhì)量濃度對陽離子紅GTL降解的影響，結(jié)果見圖4。隨著染料質(zhì)量濃度從10提高50 mg·L-1，去除率升高，當(dāng)質(zhì)量濃度超過50 mg·L-1時(shí)，去除率下降，這可能是由于吸附氧化的速率匹配問題，當(dāng)染料質(zhì)量濃度低時(shí)，吸附過程決定反應(yīng)速率，隨著染料質(zhì)量濃度增加，吸附速率加大，染料去除率增加，當(dāng)

8、染料質(zhì)量濃度超過50 mg·L-1后，氧化速率決定去除效果。因此存在反應(yīng)的最佳染料質(zhì)量濃度問題。 不同工藝對陽離子紅GTL 去除的影響圖3 反應(yīng)時(shí)間對陽離子紅GTL去除的影響Fig. 3 Effect of reaction time on removal of cationic red GTL圖4 染料質(zhì)量濃度對陽離子紅GTL去除的影響 Effect of dye concentration on removal of cationic red GTL 圖5 不同工藝對陽離子紅GTL去除的影響Fig. 5 Effect of various process on cationic

9、red GTL removal 實(shí)驗(yàn)比較了微波單獨(dú)處理、微波活性炭工藝、活性炭吸附三種工藝對陽離子紅GTL去除的影響，結(jié)果見圖5%，這說明微波和活性炭聯(lián)用存在協(xié)同效應(yīng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，將活性炭采用酸處理后，微波活性炭效果變差，可能原因是酸處理去除了活性炭表面的部分金屬離子，導(dǎo)致活性炭微波吸收能力下降。 活性炭重復(fù)使用 將活性炭重復(fù)利用多次以考察活性炭的重復(fù)利用效果，結(jié)果見圖6。可見活性炭連續(xù)使用14次，去除效果有所下降，但是整體效果都在80%以上，因此可以認(rèn)為活性炭具有良好的催化活性、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。2.2 微波誘導(dǎo)機(jī)制討論 為探討活性炭誘導(dǎo)催化機(jī)理，將使用前后的活性炭進(jìn)行了SEM/EDS和BET

10、分析，結(jié)果見圖7和表1，2。從圖中可以看出，反應(yīng)前活性炭孔徑分布比較均勻，未見裸露的大孔，可以看見表面的小顆?；钚蕴?，反應(yīng)后，發(fā)現(xiàn)小顆?；钚蕴棵撀?，裸露出大孔，通過EDS數(shù)據(jù)顯示元素鐵和鈣有一定程度的降低。同時(shí)BET分析表明，活性炭比表面積有所降低，孔徑尺寸有所增大，二者存在很好的印證，結(jié)合活性酸處理后效果變差，我們可以推斷出在微波作用下，活性炭表面和主體構(gòu)架結(jié)合不太緊密的部分脫落，形成大孔，一方面降低活性比表面積，減弱了活性炭的吸附能力，這一點(diǎn)與王金成的研究結(jié)果相一致13，同時(shí)金屬組分的損失也減弱了活性炭的微波吸收能力，綜合說來，活性炭的吸附能力和吸波能力共同影響染料處理效果，即活性炭的組分

11、與結(jié)構(gòu)影響染料的微波處理效果。表1 活性炭使用前后EDS分析結(jié)果Table 1 EDS results of activated carbon before and after useWeight%COAlSiSCaFe反應(yīng)前反應(yīng)后表2 活性炭使用前后BET測試結(jié)果Table 2 BET results of activated carbon before and after useBET surface area/(m2·g-1)Total pore volume/(cm3·g-1)Average pore size/nm反應(yīng)前7540.066 3.2 反應(yīng)后7040.0

12、66 4.0 3 結(jié)論 圖6 活性炭重復(fù)使用對陽離子紅GTL去除的影響Fig. 6 Effect of repeated use of activated carbon on cationic red GTL removala 反應(yīng)前b 反應(yīng)后圖7 活性炭使用前后的SEM圖像Fig. 7 SEM micrograph of activated carbon before and after use 微波誘導(dǎo)活性炭處理陽離子紅GTL的條件為pH=7.0，活性炭用量4 g，微波功率300 W，反應(yīng)時(shí)間4 min，陽離子紅質(zhì)量濃度為50 mg·L-1，陽離子紅GTL去除率達(dá)到99.4%；活

13、性炭的吸附能力和吸波能力共同影響染料處理效果。 參考文獻(xiàn)： 1 張國宇, 王鵬, 姜思鵬, 等. 微波誘導(dǎo)氧化處理雅格素紅BF-3B150%染料廢水的研究J. 環(huán)境科學(xué), 2004, 25(增刊): 52-55.Zhang Guoyu, Wang Peng, Jiang Sipeng, et al. Treatment of ARGAZOL BF-3B 150% by microwave induced oxidationJ. Environmental Science, 2004, 25(sup): 52-55.2 Sun Yong, Zhang Yaobin, Quan Xie. Trea

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