微波在活性炭水处理中的应用现状

樊红梅,杜 鑫

(1.广州大学市政技术学院,广东广州 510880;2.广州市政职业学校,广东广州 510880)

微波在活性炭水处理中的应用现状

樊红梅1,杜 鑫2

(1.广州大学市政技术学院,广东广州 510880;2.广州市政职业学校,广东广州 510880)

对国内外微波在诱导催化氧化及再生等活性炭水处理中的研究进展进行了综述,阐述了微波诱导催化氧化及活性炭微波再生的原理、特点,并提出了今后应用研究中需要进一步关注的问题。

微波;活性炭;微波诱导催化氧化;再生

活性炭是由煤、褐煤、泥煤、木材、坚果壳、水果壳、椰壳、石油渣油等原料制造而成的。由于含有发达的微孔结构和大的比表面积 (300～3000m2/g),具有很强的吸附能力,因此在废水处理方面得到广泛研究和应用。自 20世纪 70年代以来,采用粒状活性炭处理工业废水,不论是在技术上,还是在应用范围和处理规模上都发展很快,如在印染废水[1]、化工废水[2]、造纸废水[3]、电镀废水[4]、炼油废水[5]和炸药废水[6]处理等方面都已有了较大规模的应用,并取得了满意的效果。

微波是介于红外和无线电波之间的电磁波谱,其波长 1cm～lm(频率在 30GHz～300GHz)。由于微波具有对物质高效、均匀的加热特性,而化学反应的进行与温度又有着密切的关系,很自然会将微波加热应用于化学反应[7]。微波在活性炭水处理中的应用主要有两个方面:微波诱导催化氧化[8,9](microwave induced oxidation process,简称 M IOP)及活性炭微波再生[10]。

1 微波在活性炭吸附水处理中的应用

1.1 微波诱导催化氧化

微波诱导催化氧化由湿式催化氧化发展而来。湿式催化氧化技术关键在催化剂的选择,目前应用于该技术的催化剂主要包括过渡金属及其氧化物、复合氧化物和其盐类。根据催化剂在体系中的存在形式分为均相催化湿式氧化和非均相催化湿式氧化。均相催化剂由于催化剂在分子或离子水平上独立起作用,因此分子活性高,使得氧化效率较高。当组合 H2O2、O2等氧化剂时,可进一步提高自由基的产生速率,从而提高废水处理效率。如 Lin[11]等利用 H2O2作为氧化剂湿式空气氧化处理含酚废水 (COD为 3000mg/L),在温度 150℃、压力0.5Mpa、停留时间 30min下,加入 H2O2(50%质量比),COD去除率可达 90%以上,大大提高了反应速率,改善了反应条件。湿式催化氧化技术存在一个明显的缺点,那就是处理条件苛刻,需要在180～315℃、2～25MPa的压力下进行反应,同时需要以贵金属为催化剂[12,13],因此限制了其在不发达国家及小型企业的使用。将微波和湿式催化氧化技术结合起来,并做出改进以期利用微波来解决湿式催化氧化技术中的缺点,这种技术就是微波诱导催化氧化,又称为微波辅助湿式催化氧化。目前应用在微波水处理方面的催化剂有Ni、Cu、Zr、Ti等的金属氧化物[14～15]。上述催化剂一般都以活性炭为载体,同时活性炭本身就是一种水处理催化剂,因此采用活性炭为催化剂 (或活性炭负载催化剂)来进行微波诱导催化氧化和微波辅助湿式催化氧化是过去几年微波水处理的一个“热点”。

Chih-Ju.G.Jou[16]和 H.S.Tai[17]采用微波处理溶液中的苯、甲苯、二甲苯及苯酚。先将污染物吸附到颗粒活性炭上,然后用微波辐射吸附污染物质的活性炭。结果表明,微波辐射 90s后,苯、甲苯、二甲苯被完全降解成 CO2和 H2O,240s后苯酚被完全降解成 CO2和 H2O。实验发现,在微波辐射下,活性炭粒子间产生弧光并且很快变得火红,此时的温度可达 1000℃以上,在这样高的温度下有机污染物很快分解成 CO2和 H2O。

G.Chih等[19]采用低能度的微波辐射,对污水中吸附在粒状活性炭表面的有机毒物如三氯乙烯、二甲苯、萘以及碳氢化合物等进行解吸和消解,其最终分解率达到 100%,处理后的水质长期保持稳定。活性炭不仅具有较强吸波性和吸附性能,而且在微波辐射下能引起溶液中的某些化学作用,具有催化作用[20]。

王金成等[21]在活性炭存在下,用微波辐照能使活性艳蓝 KN-R溶液迅速脱色,1g活性炭处理质量浓度为 300mg/L的活性艳蓝 KN-R溶液50ml,微波辐射 4min,脱色率达 97.1%。研究还表明,微波辐射下活性炭对活性艳蓝 KN-R的处理量明显高于活性炭常温下对活性艳蓝 KN-R的饱和吸附量,说明在活性炭存在的条件下,微波辐照能使活性艳蓝 KN-R脱色,除了活性炭的吸附作用外,尚能引发某些化学变化。当微波辐射时,活性炭表面会产生一些 “热点”,这些 “热点”的能量比其它部分高得多,因而,当活性艳蓝被吸附到这些“热点”附近的时侯,可能被氧化而褪色。

Y.B.Zhang等人[22,23]对微波湿式氧化,从设备、机理等方面进行了深入的研究,并用微波辅助湿式催化氧化技术处理了 H-酸 (1-氨基 -8-萘酚 -3,6-本磺酸),在最佳条件下,3000mg/L的模拟溶液的 H-酸和总有机碳在 20min和 60min的处理时间里的去除率分别达到 92.6%和 84.2%,同时指出在活性炭作为催化剂、空气作为氧源的体系中,H-酸最终分解为硝酸盐,而本磺酸最终分解为硫酸盐,使有机物彻底矿化,同时使体系的可生化性由 0.008提高到 0.467,大大改善了后续生化处理的处理条件。

微波诱导催化氧化技术应用存在主要问题是微波处理设备大型化技术尚不成功,鉴于焦化废水量大的原因,设计和制造大型微波水处理设备是该技术工业应用的瓶颈。

1.2 微波辐射活性炭再生

吸附饱和的活性炭需要再生才能重新恢复其吸附能力,目前常用的再生方法为热再生法[24]。热再生法一般分为干燥、高温炭化及活化三个阶段:在干燥阶段,主要去除活性炭上的可挥发成分;高温炭化阶段是使活性炭上吸附的一部分有机物沸腾、汽化脱附,一部分有机物发生分解反应,生成小分子烃脱附出来,残余成分留在活性炭孔隙内成为“固定炭”。在这一阶段,温度将达到 800～900℃,为避免活性炭的氧化,一般在抽真空或惰性气体保护下进行;在活化阶段中,往反应釜内通入 CO2、H2或水蒸气等气体,以清理活性炭微孔,使其恢复吸附性能。由于微波加热的高效性,国内对微波再生活性炭的研究较为广泛。

彭金辉[25]研究了微波加热再生活性炭工艺,用微波加热的方法对味精厂的废活性炭进行了再生处理。实验在微波频率为 2.45GHz,最大功率为800W的多模腔体微波炉中进行。结果表明:随着微波加热时间的延长,活性炭亚甲基蓝吸附值也逐渐增加,当微波加热时间超过 10min后,活性炭的亚甲基蓝吸附值达到 12ml/0.1g并保持不变。这是由于活性炭具有较高的介电损耗系数,为强吸收微波物质,微波加热 1～2min后,活性炭的温度可迅速升至 650℃,活性炭中的水分子以及其它有机物因被迅速加热而急剧挥发,产生蒸气压,从原料内部向外部爆炸般地压出,由于这种剧烈作用,使活性炭具有更显著的多孔结构。

XieQuan等[26]研究了吸附有酸橙色的活性炭微波加热再生工艺,作者分别以椰壳炭、杏仁炭和煤质活性炭为原料,实验首先将吸附有酸橙色的活性炭在 120℃下干燥,然后使活性炭在 2450MHz、850W的微波中加热 5min,通过测定再生后活性炭的微观结构、表面化学特性和吸附性能发现,经过几次反复再生后,活性炭仍然能保持甚至超过原炭吸附性能,从活性炭吸附等温线来看,微波对活性炭的孔径分布和表面化学特性有改性作用。

2 结论及展望

微波在水处理特别是难降解有机废水处理方面有着广阔的应用前景。以活性炭为主要催化剂和敏化剂的微波诱导氧化处理技术的应用瓶颈在于微波大型处理设备的设计和制造。解决好这个问题对拓宽微波能应用和推进微波水处理绿色技术的应用具有现实意义。

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Application of Micro-wave in Activated Carbon Water Treatment

FAN Hong-mei1,DU Xin2

(1.Municipal Technology College of Guangzhou University,Guangzhou Guangdong 510880 China)

The characteristic and mechanism of microwave induced oxidation process and activated carbons regenerated by microwave are summarized.The suggestions and prospects are also proposed.

microwave;activated carbon;microwave induced oxidation process;regenerate

X703

A

1673-9655(2010)增 1-0057-03

2009-10-22

樊洪梅 (1980-),女,河南信阳人,广州市政职业学校教师。