微波處理洗煤廢水的效果及作用機(jī)理初探

黨偉男

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

隨著環(huán)境問題的愈發(fā)突出，各行各業(yè)都在進(jìn)行清潔生產(chǎn)的嘗試，工業(yè)生產(chǎn)也不例外。煤炭產(chǎn)業(yè)是我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，會(huì)造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞與環(huán)境污染，并產(chǎn)生大量的洗煤廢水，探究綠色的、高效的洗煤廢水處理方法是當(dāng)前煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

1 微波處理洗煤廢水的效果分析

1.1 廢水水質(zhì)分析

1.1.1 分析方法

分析微波功率及輻射時(shí)間對(duì)洗煤廢水的影響，并研究溶液pH值影響下的洗煤廢水處理效果，首先對(duì)山煤集團(tuán)煤礦的洗煤廢水進(jìn)行水質(zhì)抽樣，并將其作為本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料。

表1 洗煤廢水水質(zhì)分析資料

實(shí)驗(yàn)選用300mL檢測(cè)水樣，將其放入燒杯，并在微波爐內(nèi)進(jìn)行微波處理，期間采用攪拌設(shè)備按照既定速度進(jìn)行攪拌，并將經(jīng)過微波處理的水樣裝入量筒中沉淀處理，30min后，對(duì)其上清液進(jìn)行pH值、SS等指標(biāo)的測(cè)定，以分析微波處理洗煤廢水的效果與作用。具體的測(cè)量與分析方式如下：pH值分析采用phs酸度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)；CODcr：采用重鉻酸鉀作為氧化劑化學(xué)耗氧量進(jìn)行檢測(cè)，確定其重鉻酸鹽指數(shù)；SS：以重量分析法確定其上清液中的固體懸浮物；有機(jī)碳量：通過燃燒氧化與非分散紅外吸收法進(jìn)行檢測(cè)。

1.1.2 單因素實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

（1）微波輻射功率的影響

準(zhǔn)備5份300mL洗煤廢水水樣，將溶液pH值調(diào)節(jié)到6，在微波輻射環(huán)境下放置3min，并逐步調(diào)整微波功率，對(duì)上清液中的CODcr與SS進(jìn)行檢測(cè)，以分析洗煤廢水在不同微波功率下產(chǎn)生的變化。

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在相同時(shí)間、不同功率下對(duì)洗煤廢水進(jìn)行微波處理，隨著微波功率的上升，SS與CODcr的清除率也隨之上升，其內(nèi)在原因是微波功率的上升會(huì)增加洗煤廢水中碳物質(zhì)單位面積吸收微波的能量，在碳物質(zhì)表面形成“微波熱點(diǎn)”，能量不斷上升的同時(shí)，數(shù)量也隨之增加，洗煤廢水中顆粒之間的碰撞頻率上升，交替顆粒的去除條件更好，也就增加了SS和CODcr的清除率。800W是微波功率的上限，當(dāng)微波功率達(dá)到800W時(shí)，會(huì)在洗煤廢水中造成激烈反應(yīng)，不利于洗煤廢水的冷凝。同時(shí)，考慮到洗煤廢水成本投入，在實(shí)際應(yīng)用中，山煤集團(tuán)采用了功率為640W的微波對(duì)洗煤廢水進(jìn)行處理。

圖1 微波功率對(duì)洗煤廢水的處理效果

（2）微波輻射時(shí)長(zhǎng)的影響

準(zhǔn)備7分300mL洗煤廢水水樣，在pH值為6、微波功率為640W的環(huán)境下進(jìn)行微波處理，對(duì)微波輻射的時(shí)長(zhǎng)加以調(diào)整，并檢測(cè)上清液中的CODcr與SS。

經(jīng)過試驗(yàn)與分析可以確定，微波輻射時(shí)間的上升，會(huì)增加CODcr與SS的清除率，在微波處理的1～3min之間，CODcr與SS清除率上升速度較為快速；輻射時(shí)間達(dá)到4min時(shí)，CODcr與SS的清除率漲幅隨之放緩；當(dāng)微波處理時(shí)間達(dá)到7min左右，廢水水樣中的CODcr可以達(dá)到81%左右的清除率，SS可以達(dá)到74%左右的清除率。

但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，隨著微波輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，水樣中的水體積減少，主要是由于微波處理使洗煤廢水快速沸騰，水分蒸發(fā)的速度加快，越長(zhǎng)時(shí)間的微波處理，洗煤廢水水樣的水分蒸發(fā)情況越嚴(yán)重。結(jié)合洗煤廢水處理的實(shí)踐需求，山煤集團(tuán)最終確定4min為微波處理時(shí)長(zhǎng)[1]。

圖2 微波輻射時(shí)長(zhǎng)對(duì)洗煤廢水的處理效果

1.2 微波環(huán)境下生物絮凝劑的效果分析

1.2.1 原料生成

（1）原料處理

以天然膠粉為原料，在微波環(huán)境下探討天然膠粉對(duì)于洗煤廢水中雜質(zhì)的絮凝效果。選用粒度＜80目、相對(duì)分子質(zhì)量為3×105、華南地區(qū)生產(chǎn)的刨花楠木高分子天然膠粉作為實(shí)驗(yàn)原料。

表2 生物絮凝劑原料成分

對(duì)該原料進(jìn)行預(yù)處理，置于反應(yīng)器中，添加95%濃度的乙醇，確保原料分散，添加濃度為30%的氫氧化鈉溶液，經(jīng)過攪拌后靜置。

（2）生物絮凝劑合成

選擇帶有攪拌裝置的三口燒瓶，將其放置在冰水浴中，添加一定量的高濃度鹽酸與蒸餾水，經(jīng)過一段時(shí)間的冷卻處理之后，增加三甲胺醇溶液，制備三甲胺鹽酸鹽。將冰水浴調(diào)整為恒溫水浴，增加環(huán)氧氯丙烷，靜置處理之后，將溶液進(jìn)行蒸發(fā)提純處理，生成陽離子醚化劑。

處理后的原料中增加一定量的陽離子醚化劑，增加一定量的蒸餾水，經(jīng)過微波處理之后生成生物絮凝劑。

（3）測(cè)定極限粘度

在洗煤廢水的處理環(huán)節(jié)，要求絮凝劑具備良好的絮凝效果，而摩爾質(zhì)量越大，絮凝效果越強(qiáng)，在溫度、聚合物與溶劑確定之后，極限黏度會(huì)對(duì)絮凝劑的摩爾質(zhì)量產(chǎn)生影響：

式中：

K-比例常數(shù)；

α-擴(kuò)張因子；

1.2.2 廢水處理分析

選用兩筒沉降實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，各取100mL洗煤廢水，分別注入100mL具塞比色管中，并投放不同劑量的PAC或生物絮凝劑，搖勻靜置后記錄懸浮物沉降時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在生物絮凝劑的作用下，水中的絮體會(huì)少量增加，而PAC進(jìn)行單獨(dú)絮凝處理，則會(huì)產(chǎn)生體積較為細(xì)小的絮體，沉降速度極慢。將PAC與生物絮凝劑混合進(jìn)行絮凝處理，則混合絮凝劑的用量越大，洗煤廢水中絮體凝結(jié)速度與絮團(tuán)沉降速度越快，并將絮體沉降時(shí)間縮短90%左右。

2 微波處理洗煤廢水的作用機(jī)理

2.1 微波特性

微波是一種頻率為300～300GHz的電磁波，通常波長(zhǎng)在1～1m之間，當(dāng)微波用于加熱的時(shí)候，通常頻率在2450MHz，與122.4mm波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，在廢水處理中引進(jìn)微波處理技術(shù)，是90年代末期興起的一種廢水處理方法。

2.2 作用機(jī)理

2.2.1 微波直接應(yīng)用于洗煤廢水的作用原理

微波對(duì)洗煤廢水產(chǎn)生輻射時(shí)，許多雜質(zhì)會(huì)受到微波的影響，并將這種波動(dòng)傳遞給其他物質(zhì)，并產(chǎn)生誘導(dǎo)性的反應(yīng)，這些物質(zhì)也被稱作“敏化劑”，通常都具有較強(qiáng)的微波吸收能力。洗煤廢水中，碳物質(zhì)較多，能夠有效地對(duì)微波能量加以吸收，并且憑借其凹凸不平的表面形成“微波熱點(diǎn)”，微波能量在這些熱點(diǎn)富集，并吸附廢水中的膠體物質(zhì)，并對(duì)其進(jìn)行凈化處理，因而微波可以在洗煤廢水處理中起到重要作用。

2.2.2 微波環(huán)境下制備陽離子絮凝劑的作用機(jī)理

陽離子醚化劑的制備可以用以下公式表現(xiàn)：

陽離子絮凝劑的制備，是通過帶有氫氧化鈉的催化作用，膠粉發(fā)生變化生成具備高取代度的陽離子絮凝劑。現(xiàn)階段的洗煤廢水中許多顆粒與膠體都有負(fù)電性，會(huì)造成較為嚴(yán)重的污染問題，利用微波輻射技術(shù)輔助新型絮凝材料的合成，并有效提高絮凝劑的極限黏度，在洗煤廢水中可以起到有效的絮凝效果，加速絮團(tuán)沉降。復(fù)合型的絮凝劑中含有天然高分子膠粒，能夠在自然環(huán)境下降解，且不具備毒性，因此山煤集團(tuán)也正在著手推廣這種新型的復(fù)合絮凝劑[2]。

3 結(jié)語

微波在洗煤廢水處理中會(huì)起到重要作用，可以直接應(yīng)用于洗煤廢水的處理，也可以通過制備綠色生物絮凝劑的方式，通過絮凝劑起到間接的處理效果。但無論哪種處理方式，在洗煤廢水處理過程中降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響是廢水處理技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。