微波协同活性炭法处理造纸黑液的研究

刘宗瑜，梁军凤，朱 虹

（1.天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津，300191；2.天津职业大学 生物与环境工程学院，天津 300402）

微波协同活性炭法处理造纸黑液的研究

刘宗瑜1，梁军凤1，朱 虹2

（1.天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津，300191；2.天津职业大学 生物与环境工程学院，天津 300402）

以颗粒活性炭为催化剂，运用微波协同氧化工艺对造纸黑液进行处理并对其结果进行分析，考察活性炭用量、微波辐射功率，微波辐射时间等对黑液处理效果的影响.结果表明：微波协同活性炭处理造纸黑液效果比较理想，其影响顺序为辐射功率＞活性炭用量＞辐射时间，最佳的工艺条件：微波辐射700W，辐射8min，活性炭用量8g，黑液的色度去除率稳定达到94%.

微波辐射；活性炭；黑液；去除率

我国的造纸业大多是用麦草、稻草、芦苇、甘蔗渣作原料，以碱法草浆造纸为主，生产过程中产生的造纸黑液很难进行碱回收，主要污染物高浓度的木质素等难降解物处理起来极为困难.微波辐射技术具有清洁、高效、低能耗、污染小的特点，近年来才应用于治理环境污染［1－2］.微波是指频率为300～300 000MHz（波长为1.00～100mm）的电磁波，许多磁性物质如活性炭、过渡金属及其化合物等对微波有很强的吸收能力，微波辐射使其表面产生许多“热点”［3－4］，这些热点处的能量比其他部位高得多，较易发生化学反应.因此微波辐射常作为诱导化学反应用于污染物的降解.本研究拟在活性炭处理废水的基础上利用微波辐射进行加热［5］，使黑液中难降解的木质素等有机物在微波辐射及催化剂存在下发生微波诱导氧化反应，从而彻底降解，即研究微波协同氧化工艺降解造纸废液的过程和影响因素.

1 实验部分

1.1 仪器与药品

实验采用经过改装（加入回流装置）的格兰仕家用微波炉；色度仪，SD－9012，陕西盛华能源技术开发有限公司；颗粒状活性炭，辽宁省医药公司分装；原始色度为495的稻草浆蒸煮黑液（取自天津广聚源纸业有限公司碱法蒸煮工段，以下简称黑液）.

1.2 实验方法

称取一定量的经过活化的活性炭（先用5%的HCl浸泡24h，再在120℃下烘干5h）于100mL磨口锥型瓶中，加入50mL经过稀释后的黑液，在带有回流装置的微波反应腔中反应一定时间后取出，冷却至室温，用滤纸进行过滤后，再测定原始黑液与处理后黑液的色度值.并按下式计算黑液的色度去除率.

2 结果与讨论

2.1 活性炭用量对黑液处理效果的影响

在微波功率为600W，微波辐射时间8min时，考察活性炭用量对黑液处理效果的影响，结果如图1所示.

图1 活性炭用量对黑液的处理效果Figure 1 Effectiveness of treating black liquid with active carbon

由图1可以看出，随着活性炭用量的增加，黑液的色度去除率也随着增加，当总量达到8g，色度的去除率达到92%，之后，色度的去除率增加的趋势变缓.

2.2 辐射时间对黑液处理效果的影响

在微波功率为600W，活性炭用量为8g时，考察微波辐射时间对黑液处理效果的影响，实验结果如图2所示.

图2 辐射时间对黑液处理效果的影响Figure 2 Effects of radiation time on treating black liquid

由图2可以看出，黑液的色度去除率随着微波辐射时间的延长逐渐提高，但当辐射时间超过8min时，黑液的去除率的提高趋势相对变缓.

2.3 辐射功率对黑液处理效果的影响

在微波辐射时间为8min，活性碳量为8g时，考察微波辐射功率对黑液处理效果的影响，实验结果如图3所示.

图3 辐射功率对黑液处理效果的影响Figure 3 Effects of radiation power on treating black liquid

由图3可以看出，在400～700W范围内，随着微波辐射功率的提高，黑液的处理效果也越来越好.

2.4 正交实验

基于以上单因素实验，对影响黑液处理效果的因素进行正交实验研究.［6］这里以色度去除率为标准对数据进行处理，结果见表1和表2.

表1 正交实验表Table 1 Orthogonal experiment results

由正交实验Rj结果可知，各因素对废水处理效果均有影响，其中微波辐射功率的影响最为显著，其影响顺序为辐射功率＞活性炭用量＞辐射时间.选定最佳处理条件为：辐射功率700W，活性炭的用量8g，辐射时间8min.

2.5 活性炭的重复使用实验

将处理用过的活性炭收集起来，再放入120℃烘箱中加热5h，取出后进行再次利用.取8g活性炭，微波辐射功率为700W，待处理溶液50mL，实验步骤同上，得到的处理效果如表3所示.由表3可以看出，当活性炭被重复使用4次时，去除率仍然能保持80%.这说明微波辐射协同活性炭用于黑液的处理具有一定的优越性.

表3 重复使用效果对比Table 3 Effectiveness of duplicate tests

3 微波辐射处理黑液机理的初步探讨

取8g活性炭混合物，放入100mL锥型瓶中，对50mL黑液进行单纯的吸附实验［7］，将结果与微波辐射处理50mL黑液（微波辐射功率为700W，其他条件不变）的结果进行比较，比较结果如图4所示。

图4 微波辐射处理与单纯吸附过程对比Figure 4 Comparison of microwave radiation with absorbing processes

由图4可知，采用微波辐射的处理效果明显优于单纯吸附的处理效果.这说明在微波辐射处理过程中，微波催化氧化具有一定的作用，黑液中的木质素等有机物不仅仅是通过活性炭吸附降解，而是与微波诱导氧化的共同作用得以去除的［8］.在微波场中，活性炭能有效地吸收微波能量，由于其表面的不均匀性，使得催化剂活性炭表面的能量要比其它部分高得多，这样黑液中的木质素等有机物质易被催化氧化进而得到降解，从而破坏木质素的发色基团，实现脱色的目的.

4 结论

（1）利用微波辐射技术处理造纸黑液是一种行之有效的方法，该方法具有设备简单、操作方便、处理时间短、反应彻底、无二次污染物产生等优点，是一种新型的水处理技术，对制浆造纸工业的发展具有一定的促进作用.

（2）考察了在不同实验条件下，微波辐射对造纸黑液处理效果的影响，获得了最佳的工艺条件：50mL的废水在微波辐射功率为700W，辐射8min，活性炭用量8g条件下，黑液的色度去除率能稳定达到94%.

（3）对微波辐射处理废水的反应机理进行了初步探讨，结果表明，黑液中的木质素等有机污染物被氧化分解的过程是活性炭吸附降解和微波诱导催化氧化协同作用的结果.

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Treating papermaking black liquid with microwave assisted active carbon

LIUZongyu1，LIANGJunfeng1，ZHUHong2
（1.College of Environmental Science and Safety Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300191，China；
2.Institute of Biology and Environment Engineering，Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300402，China）

By using granular activated carbon as catalyst，papermaking black liquid was treated using the technology of microwave radiation，and the results were analyzed.The effects of active carbon dosage，microwave power，irradiation time on the treatment were studied，and the effect order was microwave power＞active carbon dosage＞irradiation time.The optimum treating conditions were radiation power 700W，active carbon dosage 8g，reaction time 8min.And the gradation removal ratio was stabilized at 94%.

microwave radiation；activated carbon；black liquid；removal ratio

X791；X703.5

A

1671－1114（2011）03－0077－03

2010－10－20

国家自然科学基金资助项目（20976136）

刘宗瑜（1956—），男，副教援，主要从事环境工程方面的研究.E－mail：zongyu9999＠sina.com

（责任编校 纪翠荣）