微波協(xié)同TiO2/AC處理苯胺廢水的研究

曾晨，袁東，陳雨琴，張亞

(四川輕化工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

苯胺在印染、軍工、制藥和橡膠等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。全世界每年有大量的苯胺以廢棄物的形式排入環(huán)境中[2]，嚴(yán)重危害了環(huán)境。因而，如何有效的處理苯胺類廢水成為人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題。

當(dāng)前，對(duì)苯胺廢水的處理方法主要有物理降解法、化學(xué)法和生物法等[5]。其中微波輻射法見(jiàn)效快、效果好，同時(shí)光催化法作為一種環(huán)境友好技術(shù)廣泛應(yīng)用于處理各類污染物[6-9]。而活性炭作為一種優(yōu)良的降解劑，它價(jià)格便宜，易得，以其為原料制備的光催化劑對(duì)苯胺廢水具有良好的降解效果[10]。本文采用活性炭負(fù)載二氧化鈦微波輻射聯(lián)用[11-12]技術(shù)處理苯胺廢水。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇、鹽酸、苯胺、活性炭、N-(1-萘基)乙二銨鹽酸鹽、氨基磺酸氨、亞硝酸鈉、硫酸氫鉀均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

UWave-1000微波、紫外、超聲波三位一體合成萃取反應(yīng)儀；DHG-914B馬弗爐(微電腦時(shí)溫控制儀)；80-2離心機(jī)；AS-7040AT超聲波清洗儀；752紫外分光光度計(jì)；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；HL-2恒流泵；AR1140電子天平；UPC-1-10T優(yōu)普超純水器。

1.2 TiO2/AC催化劑的制備

1.2.1 活性炭的預(yù)處理 研磨活性炭，過(guò)40～60目標(biāo)準(zhǔn)篩。取一定量活性炭于500 mL濃度10%的稀鹽酸溶液中浸泡24 h，超聲30 min，并用去離子水反復(fù)沖洗至pH為中性，以除去粉末和雜質(zhì)，在105 ℃下干燥至恒重，冷卻后放于干燥器中備用，稱為原炭[13]。

1.2.2 TiO2/AC催化劑的制備 在強(qiáng)力攪拌下,將A液(無(wú)水乙醇與去離子水的混合溶液,其中水32.4 mL，乙醇35 mL)用濃鹽酸調(diào)pH值為2～3，緩慢滴加至B液中(鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇、冰醋酸、活性炭的混合溶液,其中鈦酸丁酯35 mL,冰醋酸23 mL， 無(wú)水乙醇70 mL，活性炭2.3 g)滴加完畢后，繼續(xù)攪拌7 h，靜置凝膠，老化，干燥，研磨，于馬弗爐先升溫至200 ℃恒溫1 h除去揮發(fā)物，然后升溫至所需溫度鍛燒2 h，研磨后置于干燥器中待用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將0.5 g光催化劑與250 mL苯胺溶液(100 mg/L)裝入微波、紫外、超聲波三位一體合成萃取反應(yīng)儀配套三口燒瓶中，在室溫下(25 ℃)，開(kāi)啟冷凝水，確保反應(yīng)體系恒溫，微波輻照功率400 W，反應(yīng)時(shí)間為360 min，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇是否開(kāi)啟紫外燈，每60 min采樣一次，樣品經(jīng)離心后取上清液進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)裝置如下：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental installation

1.4 分析方法

用分光光度計(jì)于波長(zhǎng)為545 nm處測(cè)量廢水中苯胺濃度。其中吸附量按照Q=(C0-Ct)×V/m計(jì)算，降解率按R(%)=(C0-Ct)×100/C0計(jì)算。其中，Q是吸附量，mg/g；R(%)為降解率，C0和Ct分別是苯胺的初始濃度和取樣時(shí)刻的濃度，mg/L；m是所用吸附劑的質(zhì)量，g；V是苯胺溶液的體積，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 降解時(shí)間對(duì)催化劑降解性能的影響

催化劑0.5 g,苯胺溶液250 mL，微波輻照功率400 W，反應(yīng)時(shí)間為360 min，每60 min采樣1次，開(kāi)啟紫外燈，降解時(shí)間對(duì)催化劑降解性能的影響，見(jiàn)圖2。

由圖2可知，苯胺的去除率隨微波時(shí)間的增加而增加，180 min為一個(gè)拐點(diǎn)， 180 min以前，苯胺的去除率隨著微波時(shí)間的增加上升很快，而180 min后，苯胺的去除率上升較緩慢。分析認(rèn)為，催化劑在剛開(kāi)始接觸苯胺廢水時(shí)，溶液濃度較高，降解平衡反應(yīng)快速向正方向進(jìn)行，且在前180 min微波效應(yīng)對(duì)催化劑的影響較為強(qiáng)烈，因此，催化劑降解效率很快，但隨著降解量的增加，溶液中苯胺濃度變低，催化劑降解逐漸達(dá)到飽和，制約了降解反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)時(shí)間選取為180 min。

圖2 降解時(shí)間對(duì)催化劑降解性能的影響Fig.2 Effect of degradation time on the catalytic degradation performance

2.2 紫外光對(duì)催化劑降解性能的影響

催化劑0.5 g,苯胺溶液250 mL,開(kāi)啟紫外燈，不開(kāi)微波，反應(yīng)時(shí)間設(shè)置為180 min，每30 min取樣1次，降解時(shí)間對(duì)催化劑降解性能的影響見(jiàn)圖3。

圖3 紫外光對(duì)催化劑降解性能的影響Fig.3 Effect of UV light on the catalytic degradation performance

由圖3可知，在單獨(dú)紫外光下，催化劑對(duì)苯胺的降解效果并不理想，在經(jīng)過(guò)180 min過(guò)后,去除率最高只能達(dá)到40.24%。

2.3 微波功率對(duì)催化劑降解性能的影響

催化劑0.5 g，苯胺溶液250 mL，未開(kāi)啟紫外燈，反應(yīng)時(shí)間為180 min，微波功率對(duì)催化劑降解性能的影響,見(jiàn)圖4。

由圖4可知，苯胺的去除率隨著微波功率的增加而升高，說(shuō)明微波的輻照對(duì)催化劑明顯有加快去除苯胺作用，在微波功率200～400 W階段隨著微波功率的加大，去除率上升幅度最大，而在微波功率為500 W時(shí)，去除率上升不明顯。分析原因可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微波功率較小時(shí)，微波熱效應(yīng)所產(chǎn)生的能量較少，微波效應(yīng)還未發(fā)揮其應(yīng)有的作用，而隨著微波功率的增大，裝置內(nèi)的微波效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)烈，從而致使苯胺得以較快去除，當(dāng)微波功率達(dá)到一定的程度，微波熱效應(yīng)對(duì)降解所起到的作用變得越來(lái)越小。

圖4 不同微波功率對(duì)催化劑降解苯胺的影響Fig.4 Effect of different microwave powers on the aniline degradation by the catalyst

2.4 微波協(xié)同紫外光對(duì)催化劑降解性能的影響

催化劑0.5 g，苯胺溶液250 mL，開(kāi)啟紫外燈，反應(yīng)時(shí)間為180 min，微波輻照功率對(duì)催化劑降解性能的影響見(jiàn)圖5。

圖5 微波功率協(xié)同紫外 對(duì)催化劑降解性能的影響Fig.5 Effect of microwave power and UV on degradation performance of catalyst

由圖5可知，微波協(xié)同紫外燈使得苯胺去除率有了明顯的提高，且微波功率與降解率呈正相關(guān)。在微波為400 W反應(yīng)180 min后,去除率能達(dá)到71.20%，相較于單獨(dú)使用微波反應(yīng)(400 W)和紫外光照，對(duì)苯胺廢水的降解效率分別高了28.29%和76.94%，說(shuō)明紫外輻射對(duì)催化劑的降解性能有良好的協(xié)同作用。

3 結(jié)論

在250 mL苯胺溶液(濃度為100 mg/L),TiO2/AC催化劑投加量為0.5 g，反應(yīng)時(shí)間為180 min，開(kāi)啟紫外燈，微波功率為400 W的條件下，對(duì)苯胺廢水具有最好的去除效果，去除率可達(dá)71.2%。相較于單獨(dú)使用微波反應(yīng)(400 W)和紫外光照，微波輻射聯(lián)用明顯提高了TiO2/AC對(duì)苯胺廢水的降解效率，分別高了28.29%和76.94%。