微波在活性炭水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

樊紅梅,杜 鑫

(1.廣州大學(xué)市政技術(shù)學(xué)院,廣東廣州 510880;2.廣州市政職業(yè)學(xué)校,廣東廣州 510880)

微波在活性炭水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

樊紅梅1,杜 鑫2

(1.廣州大學(xué)市政技術(shù)學(xué)院,廣東廣州 510880;2.廣州市政職業(yè)學(xué)校,廣東廣州 510880)

對(duì)國內(nèi)外微波在誘導(dǎo)催化氧化及再生等活性炭水處理中的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,闡述了微波誘導(dǎo)催化氧化及活性炭微波再生的原理、特點(diǎn),并提出了今后應(yīng)用研究中需要進(jìn)一步關(guān)注的問題。

微波;活性炭;微波誘導(dǎo)催化氧化;再生

活性炭是由煤、褐煤、泥煤、木材、堅(jiān)果殼、水果殼、椰殼、石油渣油等原料制造而成的。由于含有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)和大的比表面積 (300～3000m2/g),具有很強(qiáng)的吸附能力,因此在廢水處理方面得到廣泛研究和應(yīng)用。自 20世紀(jì) 70年代以來,采用粒狀活性炭處理工業(yè)廢水,不論是在技術(shù)上,還是在應(yīng)用范圍和處理規(guī)模上都發(fā)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(guī)模的應(yīng)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(duì)物質(zhì)高效、均勻的加熱特性,而化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行與溫度又有著密切的關(guān)系,很自然會(huì)將微波加熱應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)[7]。微波在活性炭水處理中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面:微波誘導(dǎo)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(yīng)用

1.1 微波誘導(dǎo)催化氧化

微波誘導(dǎo)催化氧化由濕式催化氧化發(fā)展而來。濕式催化氧化技術(shù)關(guān)鍵在催化劑的選擇,目前應(yīng)用于該技術(shù)的催化劑主要包括過渡金屬及其氧化物、復(fù)合氧化物和其鹽類。根據(jù)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(dú)立起作用,因此分子活性高,使得氧化效率較高。當(dāng)組合 H2O2、O2等氧化劑時(shí),可進(jìn)一步提高自由基的產(chǎn)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(shí)間 30min下,加入 H2O2(50%質(zhì)量比),COD去除率可達(dá) 90%以上,大大提高了反應(yīng)速率,改善了反應(yīng)條件。濕式催化氧化技術(shù)存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn),那就是處理?xiàng)l件苛刻,需要在180～315℃、2～25MPa的壓力下進(jìn)行反應(yīng),同時(shí)需要以貴金屬為催化劑[12,13],因此限制了其在不發(fā)達(dá)國家及小型企業(yè)的使用。將微波和濕式催化氧化技術(shù)結(jié)合起來,并做出改進(jìn)以期利用微波來解決濕式催化氧化技術(shù)中的缺點(diǎn),這種技術(shù)就是微波誘導(dǎo)催化氧化,又稱為微波輔助濕式催化氧化。目前應(yīng)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(shí)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(fù)載催化劑)來進(jìn)行微波誘導(dǎo)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(gè)“熱點(diǎn)”。

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(zhì)的活性炭。結(jié)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在微波輻射下,活性炭粒子間產(chǎn)生弧光并且很快變得火紅,此時(shí)的溫度可達(dá) 1000℃以上,在這樣高的溫度下有機(jī)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(duì)污水中吸附在粒狀活性炭表面的有機(jī)毒物如三氯乙烯、二甲苯、萘以及碳?xì)浠衔锏冗M(jìn)行解吸和消解,其最終分解率達(dá)到 100%,處理后的水質(zhì)長期保持穩(wěn)定?；钚蕴坎粌H具有較強(qiáng)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(xué)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(lán) KN-R溶液迅速脫色,1g活性炭處理質(zhì)量濃度為 300mg/L的活性艷藍(lán) KN-R溶液50ml,微波輻射 4min,脫色率達(dá) 97.1%。研究還表明,微波輻射下活性炭對(duì)活性艷藍(lán) KN-R的處理量明顯高于活性炭常溫下對(duì)活性艷藍(lán) 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(lán) KN-R脫色,除了活性炭的吸附作用外,尚能引發(fā)某些化學(xué)變化。當(dāng)微波輻射時(shí),活性炭表面會(huì)產(chǎn)生一些 “熱點(diǎn)”,這些 “熱點(diǎn)”的能量比其它部分高得多,因而,當(dāng)活性艷藍(lán)被吸附到這些“熱點(diǎn)”附近的時(shí)侯,可能被氧化而褪色。

Y.B.Zhang等人[22,23]對(duì)微波濕式氧化,從設(shè)備、機(jī)理等方面進(jìn)行了深入的研究,并用微波輔助濕式催化氧化技術(shù)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(jī)碳在 20min和 60min的處理時(shí)間里的去除率分別達(dá)到 92.6%和 84.2%,同時(shí)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(jī)物徹底礦化,同時(shí)使體系的可生化性由 0.008提高到 0.467,大大改善了后續(xù)生化處理的處理?xiàng)l件。

微波誘導(dǎo)催化氧化技術(shù)應(yīng)用存在主要問題是微波處理設(shè)備大型化技術(shù)尚不成功,鑒于焦化廢水量大的原因,設(shè)計(jì)和制造大型微波水處理設(shè)備是該技術(shù)工業(yè)應(yīng)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(fù)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(gè)階段:在干燥階段,主要去除活性炭上的可揮發(fā)成分;高溫炭化階段是使活性炭上吸附的一部分有機(jī)物沸騰、汽化脫附,一部分有機(jī)物發(fā)生分解反應(yīng),生成小分子烴脫附出來,殘余成分留在活性炭孔隙內(nèi)成為“固定炭”。在這一階段,溫度將達(dá)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(hù)下進(jìn)行;在活化階段中,往反應(yīng)釜內(nèi)通入 CO2、H2或水蒸氣等氣體,以清理活性炭微孔,使其恢復(fù)吸附性能。由于微波加熱的高效性,國內(nèi)對(duì)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(duì)味精廠的廢活性炭進(jìn)行了再生處理。實(shí)驗(yàn)在微波頻率為 2.45GHz,最大功率為800W的多模腔體微波爐中進(jìn)行。結(jié)果表明:隨著微波加熱時(shí)間的延長,活性炭亞甲基藍(lán)吸附值也逐漸增加,當(dāng)微波加熱時(shí)間超過 10min后,活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值達(dá)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(shù),為強(qiáng)吸收微波物質(zhì),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(jī)物因被迅速加熱而急劇揮發(fā),產(chǎn)生蒸氣壓,從原料內(nèi)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(jié)構(gòu)。

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(zhì)活性炭為原料,實(shí)驗(yàn)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(cè)定再生后活性炭的微觀結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)特性和吸附性能發(fā)現(xiàn),經(jīng)過幾次反復(fù)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(duì)活性炭的孔徑分布和表面化學(xué)特性有改性作用。

2 結(jié)論及展望

微波在水處理特別是難降解有機(jī)廢水處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。以活性炭為主要催化劑和敏化劑的微波誘導(dǎo)氧化處理技術(shù)的應(yīng)用瓶頸在于微波大型處理設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造。解決好這個(gè)問題對(duì)拓寬微波能應(yīng)用和推進(jìn)微波水處理綠色技術(shù)的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)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(yè)學(xué)校教師。