微波在活性炭水處理中的應用現狀

樊紅梅,杜 鑫

(1.廣州大學市政技術學院,廣東廣州 510880;2.廣州市政職業學校,廣東廣州 510880)

微波在活性炭水處理中的應用現狀

樊紅梅1,杜 鑫2

(1.廣州大學市政技術學院,廣東廣州 510880;2.廣州市政職業學校,廣東廣州 510880)

對國內外微波在誘導催化氧化及再生等活性炭水處理中的研究進展進行了綜述,闡述了微波誘導催化氧化及活性炭微波再生的原理、特點,并提出了今后應用研究中需要進一步關注的問題。

微波;活性炭;微波誘導催化氧化;再生

活性炭是由煤、褐煤、泥煤、木材、堅果殼、水果殼、椰殼、石油渣油等原料制造而成的。由于含有發達的微孔結構和大的比表面積 (300～3000m2/g),具有很強的吸附能力,因此在廢水處理方面得到廣泛研究和應用。自 20世紀 70年代以來,采用粒狀活性炭處理工業廢水,不論是在技術上,還是在應用范圍和處理規模上都發展很快,如在印染廢水[1]、化工廢水[2]、造紙廢水[3]、電鍍廢水[4]、煉油廢水[5]和炸藥廢水[6]處理等方面都已有了較大規模的應用,并取得了滿意的效果。

微波是介于紅外和無線電波之間的電磁波譜,其波長 1cm～lm(頻率在 30GHz～300GHz)。由于微波具有對物質高效、均勻的加熱特性,而化學反應的進行與溫度又有著密切的關系,很自然會將微波加熱應用于化學反應[7]。微波在活性炭水處理中的應用主要有兩個方面:微波誘導催化氧化[8,9](microwave induced oxidation process,簡稱 M IOP)及活性炭微波再生[10]。

1 微波在活性炭吸附水處理中的應用

1.1 微波誘導催化氧化

微波誘導催化氧化由濕式催化氧化發展而來。濕式催化氧化技術關鍵在催化劑的選擇,目前應用于該技術的催化劑主要包括過渡金屬及其氧化物、復合氧化物和其鹽類。根據催化劑在體系中的存在形式分為均相催化濕式氧化和非均相催化濕式氧化。均相催化劑由于催化劑在分子或離子水平上獨立起作用,因此分子活性高,使得氧化效率較高。當組合 H2O2、O2等氧化劑時,可進一步提高自由基的產生速率,從而提高廢水處理效率。如 Lin[11]等利用 H2O2作為氧化劑濕式空氣氧化處理含酚廢水 (COD為 3000mg/L),在溫度 150℃、壓力0.5Mpa、停留時間 30min下,加入 H2O2(50%質量比),COD去除率可達 90%以上,大大提高了反應速率,改善了反應條件。濕式催化氧化技術存在一個明顯的缺點,那就是處理條件苛刻,需要在180～315℃、2～25MPa的壓力下進行反應,同時需要以貴金屬為催化劑[12,13],因此限制了其在不發達國家及小型企業的使用。將微波和濕式催化氧化技術結合起來,并做出改進以期利用微波來解決濕式催化氧化技術中的缺點,這種技術就是微波誘導催化氧化,又稱為微波輔助濕式催化氧化。目前應用在微波水處理方面的催化劑有Ni、Cu、Zr、Ti等的金屬氧化物[14～15]。上述催化劑一般都以活性炭為載體,同時活性炭本身就是一種水處理催化劑,因此采用活性炭為催化劑 (或活性炭負載催化劑)來進行微波誘導催化氧化和微波輔助濕式催化氧化是過去幾年微波水處理的一個“熱點”。

Chih-Ju.G.Jou[16]和 H.S.Tai[17]采用微波處理溶液中的苯、甲苯、二甲苯及苯酚。先將污染物吸附到顆粒活性炭上,然后用微波輻射吸附污染物質的活性炭。結果表明,微波輻射 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。實驗發現,在微波輻射下,活性炭粒子間產生弧光并且很快變得火紅,此時的溫度可達 1000℃以上,在這樣高的溫度下有機污染物很快分解成 CO2和 H2O。

G.Chih等[19]采用低能度的微波輻射,對污水中吸附在粒狀活性炭表面的有機毒物如三氯乙烯、二甲苯、萘以及碳氫化合物等進行解吸和消解,其最終分解率達到 100%,處理后的水質長期保持穩定?；钚蕴坎粌H具有較強吸波性和吸附性能,而且在微波輻射下能引起溶液中的某些化學作用,具有催化作用[20]。

王金成等[21]在活性炭存在下,用微波輻照能使活性艷藍 KN-R溶液迅速脫色,1g活性炭處理質量濃度為 300mg/L的活性艷藍 KN-R溶液50ml,微波輻射 4min,脫色率達 97.1%。研究還表明,微波輻射下活性炭對活性艷藍 KN-R的處理量明顯高于活性炭常溫下對活性艷藍 KN-R的飽和吸附量,說明在活性炭存在的條件下,微波輻照能使活性艷藍 KN-R脫色,除了活性炭的吸附作用外,尚能引發某些化學變化。當微波輻射時,活性炭表面會產生一些 “熱點”,這些 “熱點”的能量比其它部分高得多,因而,當活性艷藍被吸附到這些“熱點”附近的時侯,可能被氧化而褪色。

Y.B.Zhang等人[22,23]對微波濕式氧化,從設備、機理等方面進行了深入的研究,并用微波輔助濕式催化氧化技術處理了 H-酸 (1-氨基 -8-萘酚 -3,6-本磺酸),在最佳條件下,3000mg/L的模擬溶液的 H-酸和總有機碳在 20min和 60min的處理時間里的去除率分別達到 92.6%和 84.2%,同時指出在活性炭作為催化劑、空氣作為氧源的體系中,H-酸最終分解為硝酸鹽,而本磺酸最終分解為硫酸鹽,使有機物徹底礦化,同時使體系的可生化性由 0.008提高到 0.467,大大改善了后續生化處理的處理條件。

微波誘導催化氧化技術應用存在主要問題是微波處理設備大型化技術尚不成功,鑒于焦化廢水量大的原因,設計和制造大型微波水處理設備是該技術工業應用的瓶頸。

1.2 微波輻射活性炭再生

吸附飽和的活性炭需要再生才能重新恢復其吸附能力,目前常用的再生方法為熱再生法[24]。熱再生法一般分為干燥、高溫炭化及活化三個階段:在干燥階段,主要去除活性炭上的可揮發成分;高溫炭化階段是使活性炭上吸附的一部分有機物沸騰、汽化脫附,一部分有機物發生分解反應,生成小分子烴脫附出來,殘余成分留在活性炭孔隙內成為“固定炭”。在這一階段,溫度將達到 800～900℃,為避免活性炭的氧化,一般在抽真空或惰性氣體保護下進行;在活化階段中,往反應釜內通入 CO2、H2或水蒸氣等氣體,以清理活性炭微孔,使其恢復吸附性能。由于微波加熱的高效性,國內對微波再生活性炭的研究較為廣泛。

彭金輝[25]研究了微波加熱再生活性炭工藝,用微波加熱的方法對味精廠的廢活性炭進行了再生處理。實驗在微波頻率為 2.45GHz,最大功率為800W的多模腔體微波爐中進行。結果表明:隨著微波加熱時間的延長,活性炭亞甲基藍吸附值也逐漸增加,當微波加熱時間超過 10min后,活性炭的亞甲基藍吸附值達到 12ml/0.1g并保持不變。這是由于活性炭具有較高的介電損耗系數,為強吸收微波物質,微波加熱 1～2min后,活性炭的溫度可迅速升至 650℃,活性炭中的水分子以及其它有機物因被迅速加熱而急劇揮發,產生蒸氣壓,從原料內部向外部爆炸般地壓出,由于這種劇烈作用,使活性炭具有更顯著的多孔結構。

XieQuan等[26]研究了吸附有酸橙色的活性炭微波加熱再生工藝,作者分別以椰殼炭、杏仁炭和煤質活性炭為原料,實驗首先將吸附有酸橙色的活性炭在 120℃下干燥,然后使活性炭在 2450MHz、850W的微波中加熱 5min,通過測定再生后活性炭的微觀結構、表面化學特性和吸附性能發現,經過幾次反復再生后,活性炭仍然能保持甚至超過原炭吸附性能,從活性炭吸附等溫線來看,微波對活性炭的孔徑分布和表面化學特性有改性作用。

2 結論及展望

微波在水處理特別是難降解有機廢水處理方面有著廣闊的應用前景。以活性炭為主要催化劑和敏化劑的微波誘導氧化處理技術的應用瓶頸在于微波大型處理設備的設計和制造。解決好這個問題對拓寬微波能應用和推進微波水處理綠色技術的應用具有現實意義。

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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,河南信陽人,廣州市政職業學校教師。