微波協同活性炭法處理造紙黑液的研究

劉宗瑜，梁軍鳳，朱 虹

（1.天津理工大學 環境科學與安全工程學院，天津，300191；2.天津職業大學 生物與環境工程學院，天津 300402）

微波協同活性炭法處理造紙黑液的研究

劉宗瑜1，梁軍鳳1，朱 虹2

（1.天津理工大學 環境科學與安全工程學院，天津，300191；2.天津職業大學 生物與環境工程學院，天津 300402）

以顆粒活性炭為催化劑，運用微波協同氧化工藝對造紙黑液進行處理并對其結果進行分析，考察活性炭用量、微波輻射功率，微波輻射時間等對黑液處理效果的影響.結果表明：微波協同活性炭處理造紙黑液效果比較理想，其影響順序為輻射功率＞活性炭用量＞輻射時間，最佳的工藝條件：微波輻射700W，輻射8min，活性炭用量8g，黑液的色度去除率穩定達到94%.

微波輻射；活性炭；黑液；去除率

我國的造紙業大多是用麥草、稻草、蘆葦、甘蔗渣作原料，以堿法草漿造紙為主，生產過程中產生的造紙黑液很難進行堿回收，主要污染物高濃度的木質素等難降解物處理起來極為困難.微波輻射技術具有清潔、高效、低能耗、污染小的特點，近年來才應用于治理環境污染［1－2］.微波是指頻率為300～300 000MHz（波長為1.00～100mm）的電磁波，許多磁性物質如活性炭、過渡金屬及其化合物等對微波有很強的吸收能力，微波輻射使其表面產生許多“熱點”［3－4］，這些熱點處的能量比其他部位高得多，較易發生化學反應.因此微波輻射常作為誘導化學反應用于污染物的降解.本研究擬在活性炭處理廢水的基礎上利用微波輻射進行加熱［5］，使黑液中難降解的木質素等有機物在微波輻射及催化劑存在下發生微波誘導氧化反應，從而徹底降解，即研究微波協同氧化工藝降解造紙廢液的過程和影響因素.

1 實驗部分

1.1 儀器與藥品

實驗采用經過改裝（加入回流裝置）的格蘭仕家用微波爐；色度儀，SD－9012，陜西盛華能源技術開發有限公司；顆粒狀活性炭，遼寧省醫藥公司分裝；原始色度為495的稻草漿蒸煮黑液（取自天津廣聚源紙業有限公司堿法蒸煮工段，以下簡稱黑液）.

1.2 實驗方法

稱取一定量的經過活化的活性炭（先用5%的HCl浸泡24h，再在120℃下烘干5h）于100mL磨口錐型瓶中，加入50mL經過稀釋后的黑液，在帶有回流裝置的微波反應腔中反應一定時間后取出，冷卻至室溫，用濾紙進行過濾后，再測定原始黑液與處理后黑液的色度值.并按下式計算黑液的色度去除率.

2 結果與討論

2.1 活性炭用量對黑液處理效果的影響

在微波功率為600W，微波輻射時間8min時，考察活性炭用量對黑液處理效果的影響，結果如圖1所示.

圖1 活性炭用量對黑液的處理效果Figure 1 Effectiveness of treating black liquid with active carbon

由圖1可以看出，隨著活性炭用量的增加，黑液的色度去除率也隨著增加，當總量達到8g，色度的去除率達到92%，之后，色度的去除率增加的趨勢變緩.

2.2 輻射時間對黑液處理效果的影響

在微波功率為600W，活性炭用量為8g時，考察微波輻射時間對黑液處理效果的影響，實驗結果如圖2所示.

圖2 輻射時間對黑液處理效果的影響Figure 2 Effects of radiation time on treating black liquid

由圖2可以看出，黑液的色度去除率隨著微波輻射時間的延長逐漸提高，但當輻射時間超過8min時，黑液的去除率的提高趨勢相對變緩.

2.3 輻射功率對黑液處理效果的影響

在微波輻射時間為8min，活性碳量為8g時，考察微波輻射功率對黑液處理效果的影響，實驗結果如圖3所示.

圖3 輻射功率對黑液處理效果的影響Figure 3 Effects of radiation power on treating black liquid

由圖3可以看出，在400～700W范圍內，隨著微波輻射功率的提高，黑液的處理效果也越來越好.

2.4 正交實驗

基于以上單因素實驗，對影響黑液處理效果的因素進行正交實驗研究.［6］這里以色度去除率為標準對數據進行處理，結果見表1和表2.

表1 正交實驗表Table 1 Orthogonal experiment results

由正交實驗Rj結果可知，各因素對廢水處理效果均有影響，其中微波輻射功率的影響最為顯著，其影響順序為輻射功率＞活性炭用量＞輻射時間.選定最佳處理條件為：輻射功率700W，活性炭的用量8g，輻射時間8min.

2.5 活性炭的重復使用實驗

將處理用過的活性炭收集起來，再放入120℃烘箱中加熱5h，取出后進行再次利用.取8g活性炭，微波輻射功率為700W，待處理溶液50mL，實驗步驟同上，得到的處理效果如表3所示.由表3可以看出，當活性炭被重復使用4次時，去除率仍然能保持80%.這說明微波輻射協同活性炭用于黑液的處理具有一定的優越性.

表3 重復使用效果對比Table 3 Effectiveness of duplicate tests

3 微波輻射處理黑液機理的初步探討

取8g活性炭混合物，放入100mL錐型瓶中，對50mL黑液進行單純的吸附實驗［7］，將結果與微波輻射處理50mL黑液（微波輻射功率為700W，其他條件不變）的結果進行比較，比較結果如圖4所示。

圖4 微波輻射處理與單純吸附過程對比Figure 4 Comparison of microwave radiation with absorbing processes

由圖4可知，采用微波輻射的處理效果明顯優于單純吸附的處理效果.這說明在微波輻射處理過程中，微波催化氧化具有一定的作用，黑液中的木質素等有機物不僅僅是通過活性炭吸附降解，而是與微波誘導氧化的共同作用得以去除的［8］.在微波場中，活性炭能有效地吸收微波能量，由于其表面的不均勻性，使得催化劑活性炭表面的能量要比其它部分高得多，這樣黑液中的木質素等有機物質易被催化氧化進而得到降解，從而破壞木質素的發色基團，實現脫色的目的.

4 結論

（1）利用微波輻射技術處理造紙黑液是一種行之有效的方法，該方法具有設備簡單、操作方便、處理時間短、反應徹底、無二次污染物產生等優點，是一種新型的水處理技術，對制漿造紙工業的發展具有一定的促進作用.

（2）考察了在不同實驗條件下，微波輻射對造紙黑液處理效果的影響，獲得了最佳的工藝條件：50mL的廢水在微波輻射功率為700W，輻射8min，活性炭用量8g條件下，黑液的色度去除率能穩定達到94%.

（3）對微波輻射處理廢水的反應機理進行了初步探討，結果表明，黑液中的木質素等有機污染物被氧化分解的過程是活性炭吸附降解和微波誘導催化氧化協同作用的結果.

［1］ 李長海，劉娟娟，劉學文.微波技術再生中水回用廢舊活性炭研究［J］.工業水處理，2009，29（1）：16－19.

［2］ Sheng F H，Chen W，Liu W H，et al.Microwave irradiation treatment of wood flour and Its application in PVC－wood flour composites［J］.Journal of Wuhan University of Technology－Mater：Sci Ed，2007，22（1）：148－152.

［3］ 汪南方，華堅，尹華強.微波輻照糠醛渣制備活性炭及其性能研究［J］.環境污染與防治，2008，30（8）：8－13.

［4］ 張國宇，王鵬，陳小英，等.三相流化床中微波誘導氧化處理含酚廢水研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2004，36（6）：708－710.

［5］ 蘭淑澄.活性炭水處理技術［M］.北京：中國環境科學出版社，1999：7－38，74－108.

［6］ 呂龍，郭成金.正交設計法探討茯苓原生質體的最佳制備條件［J］.天津師范大學學報：自然科學版，2007，27（3）：30－33.

［7］ 喬俊蓮，鄭廣宏，徐文倩.微波協同活性炭法處理甲基橙廢水的研究［J］.水處理技術，2008，34（9）：23－26.

［8］ 鄧宇，孫保平.微波輻射催化氧化處理含氯漂白廢水的研究［J］.輻射研究與輻射工藝學報，2008，26（3）：171－176.

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

國家自然科學基金資助項目（20976136）

劉宗瑜（1956—），男，副教援，主要從事環境工程方面的研究.E－mail：zongyu9999＠sina.com

（責任編校 紀翠榮）