微波协同TiO2/AC处理苯胺废水的研究

曾晨，袁东，陈雨琴，张亚

(四川轻化工大学 化学与环境工程学院，四川 自贡 643000)

苯胺在印染、军工、制药和橡胶等行业得到广泛的应用[1-4]。全世界每年有大量的苯胺以废弃物的形式排入环境中[2]，严重危害了环境。因而，如何有效的处理苯胺类废水成为人们广泛关注的问题。

当前，对苯胺废水的处理方法主要有物理降解法、化学法和生物法等[5]。其中微波辐射法见效快、效果好，同时光催化法作为一种环境友好技术广泛应用于处理各类污染物[6-9]。而活性炭作为一种优良的降解剂，它价格便宜，易得，以其为原料制备的光催化剂对苯胺废水具有良好的降解效果[10]。本文采用活性炭负载二氧化钛微波辐射联用[11-12]技术处理苯胺废水。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

钛酸丁酯、无水乙醇、盐酸、苯胺、活性炭、N-(1-萘基)乙二铵盐酸盐、氨基磺酸氨、亚硝酸钠、硫酸氢钾均为分析纯;实验用水均为去离子水。

UWave-1000微波、紫外、超声波三位一体合成萃取反应仪；DHG-914B马弗炉(微电脑时温控制仪)；80-2离心机；AS-7040AT超声波清洗仪；752紫外分光光度计；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器；HL-2恒流泵；AR1140电子天平；UPC-1-10T优普超纯水器。

1.2 TiO2/AC催化剂的制备

1.2.1 活性炭的预处理 研磨活性炭，过40～60目标准筛。取一定量活性炭于500 mL浓度10%的稀盐酸溶液中浸泡24 h，超声30 min，并用去离子水反复冲洗至pH为中性，以除去粉末和杂质，在105 ℃下干燥至恒重，冷却后放于干燥器中备用，称为原炭[13]。

1.2.2 TiO2/AC催化剂的制备 在强力搅拌下,将A液(无水乙醇与去离子水的混合溶液,其中水32.4 mL，乙醇35 mL)用浓盐酸调pH值为2～3，缓慢滴加至B液中(钛酸丁酯、无水乙醇、冰醋酸、活性炭的混合溶液,其中钛酸丁酯35 mL,冰醋酸23 mL， 无水乙醇70 mL，活性炭2.3 g)滴加完毕后，继续搅拌7 h，静置凝胶，老化，干燥，研磨，于马弗炉先升温至200 ℃恒温1 h除去挥发物，然后升温至所需温度锻烧2 h，研磨后置于干燥器中待用。

1.3 实验方法

将0.5 g光催化剂与250 mL苯胺溶液(100 mg/L)装入微波、紫外、超声波三位一体合成萃取反应仪配套三口烧瓶中，在室温下(25 ℃)，开启冷凝水，确保反应体系恒温，微波辐照功率400 W，反应时间为360 min，根据实验要求选择是否开启紫外灯，每60 min采样一次，样品经离心后取上清液进行分析,实验装置如下：

图1 实验装置Fig.1 Experimental installation

1.4 分析方法

用分光光度计于波长为545 nm处测量废水中苯胺浓度。其中吸附量按照Q=(C0-Ct)×V/m计算，降解率按R(%)=(C0-Ct)×100/C0计算。其中，Q是吸附量，mg/g；R(%)为降解率，C0和Ct分别是苯胺的初始浓度和取样时刻的浓度，mg/L；m是所用吸附剂的质量，g；V是苯胺溶液的体积，L。

2 结果与讨论

2.1 降解时间对催化剂降解性能的影响

催化剂0.5 g,苯胺溶液250 mL，微波辐照功率400 W，反应时间为360 min，每60 min采样1次，开启紫外灯，降解时间对催化剂降解性能的影响，见图2。

由图2可知，苯胺的去除率随微波时间的增加而增加，180 min为一个拐点， 180 min以前，苯胺的去除率随着微波时间的增加上升很快，而180 min后，苯胺的去除率上升较缓慢。分析认为，催化剂在刚开始接触苯胺废水时，溶液浓度较高，降解平衡反应快速向正方向进行，且在前180 min微波效应对催化剂的影响较为强烈，因此，催化剂降解效率很快，但随着降解量的增加，溶液中苯胺浓度变低，催化剂降解逐渐达到饱和，制约了降解反应的进行。反应时间选取为180 min。

图2 降解时间对催化剂降解性能的影响Fig.2 Effect of degradation time on the catalytic degradation performance

2.2 紫外光对催化剂降解性能的影响

催化剂0.5 g,苯胺溶液250 mL,开启紫外灯，不开微波，反应时间设置为180 min，每30 min取样1次，降解时间对催化剂降解性能的影响见图3。

图3 紫外光对催化剂降解性能的影响Fig.3 Effect of UV light on the catalytic degradation performance

由图3可知，在单独紫外光下，催化剂对苯胺的降解效果并不理想，在经过180 min过后,去除率最高只能达到40.24%。

2.3 微波功率对催化剂降解性能的影响

催化剂0.5 g，苯胺溶液250 mL，未开启紫外灯，反应时间为180 min，微波功率对催化剂降解性能的影响,见图4。

由图4可知，苯胺的去除率随着微波功率的增加而升高，说明微波的辐照对催化剂明显有加快去除苯胺作用，在微波功率200～400 W阶段随着微波功率的加大，去除率上升幅度最大，而在微波功率为500 W时，去除率上升不明显。分析原因可发现，当微波功率较小时，微波热效应所产生的能量较少，微波效应还未发挥其应有的作用，而随着微波功率的增大，装置内的微波效应越来越强烈，从而致使苯胺得以较快去除，当微波功率达到一定的程度，微波热效应对降解所起到的作用变得越来越小。

图4 不同微波功率对催化剂降解苯胺的影响Fig.4 Effect of different microwave powers on the aniline degradation by the catalyst

2.4 微波协同紫外光对催化剂降解性能的影响

催化剂0.5 g，苯胺溶液250 mL，开启紫外灯，反应时间为180 min，微波辐照功率对催化剂降解性能的影响见图5。

图5 微波功率协同紫外 对催化剂降解性能的影响Fig.5 Effect of microwave power and UV on degradation performance of catalyst

由图5可知，微波协同紫外灯使得苯胺去除率有了明显的提高，且微波功率与降解率呈正相关。在微波为400 W反应180 min后,去除率能达到71.20%，相较于单独使用微波反应(400 W)和紫外光照，对苯胺废水的降解效率分别高了28.29%和76.94%，说明紫外辐射对催化剂的降解性能有良好的协同作用。

3 结论

在250 mL苯胺溶液(浓度为100 mg/L),TiO2/AC催化剂投加量为0.5 g，反应时间为180 min，开启紫外灯，微波功率为400 W的条件下，对苯胺废水具有最好的去除效果，去除率可达71.2%。相较于单独使用微波反应(400 W)和紫外光照，微波辐射联用明显提高了TiO2/AC对苯胺废水的降解效率，分别高了28.29%和76.94%。