微波協(xié)同活性炭處理鹽酸黃連素廢水最佳降解條件的研究

劉 暢

(遼寧省大氣污染防治管理中心，遼寧 沈陽 110000)

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微波協(xié)同活性炭處理鹽酸黃連素廢水最佳降解條件的研究

劉 暢

(遼寧省大氣污染防治管理中心，遼寧 沈陽 110000)

摘要：在微波輻射條件下，采用活性炭處理了含鹽酸黃連素廢水。結(jié)果表明：微波催化氧化工藝對鹽酸黃連素的處理效果明顯優(yōu)于單純活性炭吸附與單純微波輻射工藝。通過正交實(shí)驗(yàn)得出微波處理的最佳條件：對于400 mg/L的鹽酸黃連素模擬水樣，活性炭用量0.7 g，微波功率700 W，微波時(shí)間5 min，此時(shí)的去除率為89.12%。

關(guān)鍵詞：鹽酸黃連素廢水；微波；活性炭；催化氧化；正交實(shí)驗(yàn)

1引言

鹽酸黃連素作為化學(xué)合成黃連素生產(chǎn)工藝過程中的成品沖洗廢水的主要污染物，廢水中的濃度在1 000 mg/L左右[1]，對微生物具有很強(qiáng)的毒性。目前，鹽酸黃連素廢水的處理技術(shù)主要是高級氧化技術(shù)[2，3]。微波技術(shù)作為一門新興技術(shù)，近年來受到人們的廣泛關(guān)注[4～6]。活性炭對于微波有很強(qiáng)的吸收能力，由于其表面的不均勻性，微波輻射可使其表面生成溫度很高的“熱點(diǎn)”，這些“熱點(diǎn)”的溫度和能量要比其它部位高得多，故常被用作誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的催化劑[7]。因此，利用催化氧化技術(shù)處理含鹽酸黃連素廢水，降低廢水中鹽酸黃連素的濃度，實(shí)現(xiàn)含鹽酸黃連素廢水達(dá)標(biāo)排放，對保護(hù)和改善水質(zhì)、緩解水資源危機(jī)具有重大的意義。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)儀器與材料

活性炭(朝陽森源活性炭有限公司)：粒狀活性炭(粒徑2.00～5.00 mm≥90%，<2.00 mm≤5%)，顆粒狀活性炭(粒徑>800 μm≤2%，400～700 μm≥85%，<355 μm≤2%)，粉末狀活性炭(粒徑400～700 μm>87%，<355 μm≤2%)；UV3010紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津公司)；D70D20CTL-D5微波爐(格蘭仕微波爐電器有限公司)；Anke TGL-16G超速冷凍離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)；BS110S電子分析天平(北京賽多利斯)。

鹽酸黃連素標(biāo)準(zhǔn)品：優(yōu)級純。鹽酸黃連素標(biāo)準(zhǔn)溶液：用電子天平稱取鹽酸黃連素標(biāo)準(zhǔn)品400 mg，置于1L容量瓶中，加適量蒸餾水，在60 ℃水浴上加熱溶解，放冷至室溫，用蒸餾水定容至刻度，配制成400 mg/L的溶液，搖勻備用。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

鹽酸黃連素測定方法：將處理后的鹽酸黃連素溶液，5 000 r/min離心分離15 min。取離心后的上清液于比色皿內(nèi)，以蒸餾水為空白對照，采用UV 3010紫外-可見分光光度計(jì)于345 nm處測定。

取50 mL濃度為400 mg/L的鹽酸黃連素溶液于100 mL錐形瓶中，加入適量活性炭，瓶口以保鮮膜覆蓋，以減少水分及鹽酸黃連素的揮發(fā)，然后置于微波爐中，在一定的功率下，經(jīng)過一定時(shí)間的微波后取出，冷卻至室溫后過濾，測定鹽酸黃連素含量，用此鹽酸黃連素的去除率表征水樣的降解效果。考察不同處理工藝對鹽酸黃連素去除率的影響，包括單純活性炭吸附、單純微波輻射和微波協(xié)同活性炭催化氧化工藝對鹽酸黃連素的處理效果。通過單因素和正交實(shí)驗(yàn)得出微波處理的最佳條件。以活性炭用量(g)、微波功率(w)、微波時(shí)間(min)為考察對象，按照L9(33) 三因素三水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定最佳降解條件。

3結(jié)果與討論

3.1不同處理工藝對鹽酸黃連素去除率的研究

比較單純活性炭吸附、單純微波輻射、微波協(xié)同活性炭催化氧化3種處理工藝對鹽酸黃連素去除率的影響。實(shí)驗(yàn)采用顆粒狀活性炭0.5g，400mg/L鹽酸黃連素溶液，微波輻射功率700W。

由圖1可知，只有單純活性炭吸附時(shí)，鹽酸黃連素去除率在5 min時(shí)也只達(dá)到33.92%。單純微波輻射時(shí)，對鹽酸黃連素基本沒有去除作用。當(dāng)微波協(xié)同活性炭催化氧化時(shí)，鹽酸黃連素的去除率在5 min時(shí)達(dá)到77.16%。分析其原因，主要是因?yàn)槲⒉▍f(xié)同活性炭處理過程中，不僅存在活性炭吸附作用，也存在微波誘導(dǎo)催化氧化作用。

3.2不同條件下微波協(xié)同活性炭催化氧化技術(shù)對鹽酸黃連素去除率的研究

3.2.1鹽酸黃連素的初始濃度對其去除率的影響

考察不同初始濃度的鹽酸黃連素溶液對鹽酸黃連素去除率的影響。實(shí)驗(yàn)添加了0.5 g顆粒狀活性炭，微波輻射功率700 W，微波輻射時(shí)間4 min。

由圖2可知，在100～500 mg/L范圍內(nèi)，鹽酸黃連素的去除率隨鹽酸黃連素初始濃度的增大而逐漸降低。在100 mg/L時(shí)，鹽酸黃連素去除率最高，達(dá)到93.70%。在400～500 mg/L范圍內(nèi)，鹽酸黃連素去除率相差不大，在5%之內(nèi)，分別為63.89%和60.41%。這說明低濃度的鹽酸黃連素較容易被去除。

3.2.2活性炭粒徑對鹽酸黃連素去除率的影響

考察不同粒徑的活性炭對鹽酸黃連素的去除率的影響。鹽酸黃連素初始濃度400 mg/L，活性炭用量0.5 g，微波輻射功率700 W，輻射時(shí)間4 min。

由圖3可以看出，其他實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，活性炭粒徑越小，鹽酸黃連素的去除率越高。這主要有兩方面的原因：①活性炭的粒徑越小，比表面積越大，與鹽酸黃連素接觸的越多，從而吸附性能越好。②粒徑較小的活性炭具有較多的活性金屬點(diǎn)位，容易形成更多的“熱點(diǎn)”。鹽酸黃連素更容易與活性炭表面的熱點(diǎn)結(jié)合，有利于微波誘導(dǎo)氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

3.2.3活性炭用量對鹽酸黃連素去除率的影響

實(shí)驗(yàn)測定了不同活性炭用量對鹽酸黃連素的去除率。鹽酸黃連素初始濃度400 mg/L，顆粒狀活性炭，微波輻射功率700 W，輻射時(shí)間4 min。

圖4表明，隨著活性炭用量的增加，鹽酸黃連素去除率逐步上升，當(dāng)活性炭的用量增加至1.1 g時(shí)，鹽酸黃連素的去除率達(dá)到99.48%。主要是因?yàn)椋阂环矫妫?/p>

活性炭充當(dāng)吸附劑，把鹽酸黃連素吸附于表面。另一方面，在微波的作用下，活性炭表面產(chǎn)生許多“熱點(diǎn)”，促進(jìn)鹽酸黃連素的反應(yīng)。當(dāng)活性炭的用量增加時(shí)，與鹽酸黃連素接觸的有效活性炭越多，從而鹽酸黃連素的去除率越高。

3.2.4微波輻射時(shí)間對鹽酸黃連素去除率的影響

實(shí)驗(yàn)測定了微波輻射時(shí)間的不同對鹽酸黃連素去除率的影響。鹽酸黃連素初始濃度400 mg/L，顆粒狀活性炭0.5 g，微波功率700 W。

從圖5可以看出，隨著微波輻射時(shí)間的增長，鹽酸黃連素的去除率逐步提高。而在5～6 min時(shí)，反應(yīng)又趨于平緩。可能是因?yàn)榛钚蕴康奈椒磻?yīng)和催化反應(yīng)，都是可逆反應(yīng)，在這兩種反應(yīng)都達(dá)到平衡的時(shí)候，活性炭便不再起作用，或者作用現(xiàn)象甚微。

3.2.5微波輸出功率對鹽酸黃連素去除率的影響

實(shí)驗(yàn)測定了微波功率對鹽酸黃連素去除率的影響。實(shí)驗(yàn)條件：鹽酸黃連素初始濃度400 mg/L，顆粒狀活性炭0.5 g，微波輻射時(shí)間4 min。

從圖6可以看出，隨著微波功率的增加，鹽酸黃連素的去除率升高。主要是因?yàn)樵黾游⒉ㄝ敵龉β蕰r(shí)，降解體系的溫度上升較快，降解體系處于高溫的時(shí)間長，且單位面積吸收微波的能量增加，活性炭表面能量分布較高的“熱點(diǎn)”增多，從而增加分子的碰撞頻率和分子化合鍵的斷裂，有利于水樣中的有機(jī)物降解，反應(yīng)速度相對較快。

3.4正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)確定以活性炭用量(g)、微波輸出功率(W)、微波輻射時(shí)間(min)為考察對象，進(jìn)行三因子三水平正交實(shí)驗(yàn)，并確定最佳的降解條件(表1)。

表1　正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)表2中各因子分析值的極差可以看出，各因素對鹽酸黃連素去除率的影響大小為活性炭用量(g)>微波輸出功率(W)>微波輻射時(shí)間(min)。這說明對于400 mg/L的鹽酸黃連素模擬水樣，采用顆粒狀活性炭(粒徑>800 μm≤2%，400～700 μm≥85%，<355 μm≤2% )時(shí)，微波協(xié)同活性炭催化氧化處理鹽酸黃連素的最佳條件為：活性炭用量0.7 g，微波功率700 W，微波時(shí)間5 min，此時(shí)的去除率為89.12%。

4結(jié)語

(1)研究不同處理工藝對鹽酸黃連素去除率的影響，結(jié)果表明微波協(xié)同活性炭催化氧化工藝處理鹽酸黃連素廢水效果明顯優(yōu)于單純活性炭吸附與單純微波輻射工藝。

(2)研究了鹽酸黃連素的初始濃度、活性炭粒徑、活性炭用量、微波輸出功率、微波輻射時(shí)間對鹽酸黃連素去除率的影響。實(shí)驗(yàn)確定了三因子三水平，通過正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各因素對鹽酸黃連素去除率的影響大小為活性炭用量(g)>微波輸出功率(W)>微波輻射時(shí)間(min)。對于400 mg/L的鹽酸黃連素模擬水樣，微波協(xié)同活性炭催化氧化處理鹽酸黃連素的最佳條件為：活性炭(粒徑>800 m的≤2%，400 μm～700 μm的≥85%，<355 μm的≤2% )用量0.7 g，微波功率700 W，微波時(shí)間5 min。最佳降解條件時(shí)，鹽酸黃連素的去除率能達(dá)到89.12%。

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文章編號(hào)：1674-9944(2016)02-0073-03

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：劉暢(1983—)，女，遼寧人，滿族，工程師，主要從事環(huán)境保護(hù)管理工作。

收稿日期：2015-10-20