活性炭吸附-介质阻挡放电等离子体处理五氯酚＊

屈广周 李 杰,2＊＊ 鲁 娜,2 吴 彦,2

(1 大连理工大学静电与特种电源研究所,大连,116024;2 大连理工大学环境与生命学院,大连,116024)

活性炭吸附-介质阻挡放电等离子体处理五氯酚＊

屈广周1李 杰1,2＊＊鲁 娜1,2吴 彦1,2

(1 大连理工大学静电与特种电源研究所,大连,116024;2 大连理工大学环境与生命学院,大连,116024)

研究了介质阻挡放电 (DBD)与活性炭(AC)吸附相结合用于高浓度五氯酚 (PCP)废水的处理.含有高浓度的 PCP溶液被富集在AC上,通过DBD等离子体降解吸附在AC上的 PCP,并且实现AC的循环再利用.主要考察了DBD等离子体作用条件下 AC上 PCP的降解效果以及 3次循环处理后 AC吸附等温线的变化.结果表明:随着放电电压和处理时间的增加,AC上 PCP的降解效率增加,较高的电源频率有助于 PCP的降解,而且经过 3次吸附 /处理循环后,AC仍然具有较高的吸附能力.

介质阻挡放电,活性炭,五氯酚,降解.

近年来,介质阻挡放电(DBD)等离子体技术作为一种新发展的高级氧化技术因其处理效率高、操作简便等优点,引起了极大关注[1,2].它通过高压放电产生氧化能力很强的活性粒子有效降解污染物.但是当污染物的浓度较低时,DBD产生的活性粒子与污染物作用的几率降低,影响了污染物的降解效果.因此迫切需要将DBD等离子体技术与其它的污染物富集方法相结合以提高污染物的降解效果.

活性炭(AC)因其极强的吸附能力和富集效果在废水处理中获得了广泛的应用.但其成本高,且易吸附饱和,若不进行再生回收不仅不经济还会对环境造成污染[3].常用的再生方法如热再生和化学再生法等,需要高温且成本高或者产生二次污染[4,5].

本文提出将AC吸附和DBD等离子体相结合的新型“相转移”废水处理方法.首先将有机污染物通过 AC富集,然后通过DBD等离子体降解富集在 AC上的污染物,同时实现 AC的循环再利用,降低了废水处理的成本.本文以五氯酚(PCP)为模拟污染物,主要考察放电电压、电源频率以及处理时间对降解效果的影响.

1 实验部分

1.1 样品预处理

AC用 0.1 mol·l-1的氢氧化钠溶液浸泡 24 h,然后在去离子水中煮沸 30 min,最后在 110℃的干燥箱中烘干以备后用.PCP用氢氧化钠溶解配成 2000 mg·l-1的溶液,所需的其它浓度是通过其稀释而得到.

模拟的废 AC制备:取经过预处理的 AC 10.0 g投加到 400 mL 2000 mg·l-1的 PCP溶液中,在150 r·min-1,25℃的水浴恒温振荡器中振荡 4天,使其达到饱和,然后过滤得到模拟的废 AC,其AC的吸附量为 79.6 mg·g-1.

1.2 实验方法

实验系统主要由交流高压电源、反应器和检测系统组成.电源频率为 50—1000 Hz可调,电压的调节范围是 0—30 kV.DBD反应器是圆柱形的,其低压电极为金属铜网,放电介质是石英玻璃片,圆形的金属薄片高压电极覆盖在放电介质上,两电极之间的距离保持在 6 mm.示波器用于测试电源的波形.2 L·min-1的氧气从反应器底部进入反应器,通过 AC放电区后被 10%的 KI溶液吸收.臭氧测试仪用于尾气臭氧量的测定.

开始放电处理前,将含 2.0 g净炭的废 AC均匀的放在反应器的低压电极上,处理后将 AC取出进行萃取并计算处理效果.

残留 PCP的萃取:将处理后的AC放入 250 ml的锥形瓶中,在锥形瓶中分别加入 30 ml丙酮和 30 ml正己烷,然后用 1 ml 37%的盐酸酸化,在恒温摇床中振摇 60 min,用超声清洗器超声 30 min,重复上述过程 6次,最后水浴烘干后用 0.1 mol·l-1的氢氧化钠溶解,配成溶液以备检测.

萃取以及吸附残留液中 PCP的含量用液相色谱测定[6].

1.3 吸附等温线测定

准确称取一定量的 AC于 250 ml锥形瓶中,在锥形瓶中分别加入 100 ml不同浓度的 PCP溶液,控制水浴温度为 25℃,以 150 r·min-1的转速在恒温摇床中振摇 4d,使吸附达到平衡.测定平衡时吸附质的浓度 Ce(mg·l-1),并作吸附等温线[7].吸附质在吸附剂中的平衡吸附量 Qe(mg·g-1)通过下式计算:

式中,C0为溶液初始浓度 (mg·l-1),V为溶液体积 (l),W为 AC质量 (g).

2 结果与讨论

2.1 放电电压和电源频率对降解效果的影响

图1显示了当电源频率分别为 50,100,200和 500Hz,放电时间为 60 min,AC的含水率为50.1%时,AC上 PCP的降解效率随电压的变化情况.从图1中可以看出,随着放电电压的增加 AC上 PCP的降解效率增加,这是因为增加电压可以提高反应器的注入能量,增加了活性粒子的数量.在频率为 500 Hz,放电电压为 21.6 kV时,AC上 PCP的降解效率可以达到 70%.同时也发现当电源频率从 50 Hz增加到 500 Hz时,PCP的降解效率也随之增加.

图2显示了不同频率下反应器出口臭氧量随电压的变化情况,可以发现,臭氧的变化情况与 PCP的降解效果基本是一致的,这说明臭氧在 PCP的降解中起到很重要的作用.

此外,许多研究已经表明[8,9]:AC本身可以促使臭氧分解产生更强的活性物种,如·OH,H和一些稳定的自由基 AC-O,AC-O3等,这些活性物种可以和 AC上 PCP作用,而且 AC自身的催化效果也是非常显著的,也有利于 AC上 PCP的降解.

图1 电压和频率对活性炭上 PCP降解效率的影响Fig.1 The effects of voltage and frequency on degradation efficiency of PCP on AC

图2 不同电压和频率下臭氧量变化Fig.2 The changes of ozone amount under different voltage and frequency

2.2 处理时间对降解效果的影响

考察了不同频率下处理时间的影响.选择的处理时间为 15,60,120和 180 min.放电电压为21.6 kV,AC含水率为 50.1%.图3所示为不同频率下AC上 PCP的降解效率随处理时间的变化.从图3可以看出,在DBD放电 15 min到 60 min这个时间段内,AC上的 PCP降解速度最快.比较 50 Hz和 200 Hz的数据发现,200 Hz放电处理 60 min的降解效果明显高于 50 Hz处理 180 min的效果.

2.3 DBD等离子体对 AC的再生

为了考察通过 DBD等离子体作用后,AC吸附能力的恢复,比较了循环处理 3次后的 AC与原炭的吸附等温线.如图4所示,循环处理 3次 AC的吸附量低于原炭,这主要因为:一方面 AC上 PCP没有完全被去除还有残留,影响了AC的再吸附;另一方面经过多次循环处理后,DBD可能对AC的表面结构有破坏.但是 AC经过 3次循环后仍然有较高的吸附能力.

研究表明普通热再生AC的损耗是个突出问题,高温再生时炭损可达 5%—8%,而这种方法再生时炭损却很小(<1%).而且与化学再生方法相比,DBD等离子体再生很少产生二次污染,工艺简单方便.因此,这种AC再生方法在工业中有广泛的应用前景.

图3 处理时间对活性炭上 PCP降解效率的影响Fig.3 The effects of treatment t ime on degradation efficiency of PCP on activated carbon

图4 原炭和经过 3次再生后活性炭吸附等温线Fig.4 The adsorption isotherms of virgin carbon and three times regeneration carbon

3 结论

实验表明,DBD等离子体可以有效降解 AC上的 PCP.随着电压和处理时间的增加,AC上 PCP的降解效率增加,增加电源频率对 PCP的降解是有利的.在 PCP被降解的同时,活性炭能够被再生,而且经过多次再生循环的AC仍然保持较高的吸附能力.

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[5] Chinn D,KingC J,Adsorption of Glycols,Sugar,and RelatedMultiple-OH CompoundsontoActivated Carbons.2.SolventRegeneration[J].Ind.Eng.Chem.Res.,1999,38(10) ∶3746—3753

[6] 张秀忠,赖举伟,刘丽君,固相萃取-高效液相色谱法测定水中的酚类化合物 [J].给水排水,2004,30(2)∶30—32

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[8] Sanchez-PoloM,Rivera-Utrilla J,Effectof theOzone-Arbon Reaction on the CatalyticActivityofActivated Carbon during theDegradation of 1,3,6-Naphthalenetrisulphonic Acid with Ozone[J].Carbon,2003,41(2) ∶303—307

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ACTIVATED CARBON ADSORPTI ON/D IELECTRIC BARRIER D ISCHARGE PLAS MA FOR TREATMENT OF PENTACHLOROPHENOL

QU Guang-zhou1L I Jie1,2LU Na1,2WU Yan1,2
(1 Institute of Electrostatics and Special Power,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China;2 School of Environmental&Biological Science&Technology,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China)

An integrated activated carbon(AC)adsorption/dielectric barrier discharge(DBD)processwas applied to the treatment of high concentration pentachlorophenol(PCP)water sample.The PCP in water firstly adsorbed onto AC,and then the degradation of PCP and regeneration of exhausted AC were simultaneously carried out byDBD.The degradation effectsof PCP loaded onAC afterDBD plasma treatment and the changes of adsorption isother m of three times regenerated carbon for PCP were studied.The results indicated that increasing the discharge voltage and treatment time could improve the degradation efficiency of PCP on AC,high power frequencywasmore beneficial to degradation of PCP.Thiswork would supply a new method for the decomposition of no-biodegradable organic pollutants and the regeneration ofAC.

dielectric barrier discharge,activated carbon,pentachlorophenol,degradation.

2009年5月9日收稿.

＊国家 “863”计划项目 (2008AA06Z308).

＊＊通讯联系人,Tel:86-0411-84708576,E-mail:lijie@dlut.edu.cn