活性炭吸附-介質(zhì)阻擋放電等離子體處理五氯酚＊

屈廣周 李 杰,2＊＊ 魯 娜,2 吳 彥,2

(1 大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,大連,116024;2 大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,大連,116024)

活性炭吸附-介質(zhì)阻擋放電等離子體處理五氯酚＊

屈廣周1李 杰1,2＊＊魯 娜1,2吳 彥1,2

(1 大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,大連,116024;2 大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,大連,116024)

研究了介質(zhì)阻擋放電 (DBD)與活性炭(AC)吸附相結(jié)合用于高濃度五氯酚 (PCP)廢水的處理.含有高濃度的 PCP溶液被富集在AC上,通過(guò)DBD等離子體降解吸附在AC上的 PCP,并且實(shí)現(xiàn)AC的循環(huán)再利用.主要考察了DBD等離子體作用條件下 AC上 PCP的降解效果以及 3次循環(huán)處理后 AC吸附等溫線的變化.結(jié)果表明:隨著放電電壓和處理時(shí)間的增加,AC上 PCP的降解效率增加,較高的電源頻率有助于 PCP的降解,而且經(jīng)過(guò) 3次吸附 /處理循環(huán)后,AC仍然具有較高的吸附能力.

介質(zhì)阻擋放電,活性炭,五氯酚,降解.

近年來(lái),介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體技術(shù)作為一種新發(fā)展的高級(jí)氧化技術(shù)因其處理效率高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),引起了極大關(guān)注[1,2].它通過(guò)高壓放電產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的活性粒子有效降解污染物.但是當(dāng)污染物的濃度較低時(shí),DBD產(chǎn)生的活性粒子與污染物作用的幾率降低,影響了污染物的降解效果.因此迫切需要將DBD等離子體技術(shù)與其它的污染物富集方法相結(jié)合以提高污染物的降解效果.

活性炭(AC)因其極強(qiáng)的吸附能力和富集效果在廢水處理中獲得了廣泛的應(yīng)用.但其成本高,且易吸附飽和,若不進(jìn)行再生回收不僅不經(jīng)濟(jì)還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[3].常用的再生方法如熱再生和化學(xué)再生法等,需要高溫且成本高或者產(chǎn)生二次污染[4,5].

本文提出將AC吸附和DBD等離子體相結(jié)合的新型“相轉(zhuǎn)移”廢水處理方法.首先將有機(jī)污染物通過(guò) AC富集,然后通過(guò)DBD等離子體降解富集在 AC上的污染物,同時(shí)實(shí)現(xiàn) AC的循環(huán)再利用,降低了廢水處理的成本.本文以五氯酚(PCP)為模擬污染物,主要考察放電電壓、電源頻率以及處理時(shí)間對(duì)降解效果的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品預(yù)處理

AC用 0.1 mol·l-1的氫氧化鈉溶液浸泡 24 h,然后在去離子水中煮沸 30 min,最后在 110℃的干燥箱中烘干以備后用.PCP用氫氧化鈉溶解配成 2000 mg·l-1的溶液,所需的其它濃度是通過(guò)其稀釋而得到.

模擬的廢 AC制備:取經(jīng)過(guò)預(yù)處理的 AC 10.0 g投加到 400 mL 2000 mg·l-1的 PCP溶液中,在150 r·min-1,25℃的水浴恒溫振蕩器中振蕩 4天,使其達(dá)到飽和,然后過(guò)濾得到模擬的廢 AC,其AC的吸附量為 79.6 mg·g-1.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由交流高壓電源、反應(yīng)器和檢測(cè)系統(tǒng)組成.電源頻率為 50—1000 Hz可調(diào),電壓的調(diào)節(jié)范圍是 0—30 kV.DBD反應(yīng)器是圓柱形的,其低壓電極為金屬銅網(wǎng),放電介質(zhì)是石英玻璃片,圓形的金屬薄片高壓電極覆蓋在放電介質(zhì)上,兩電極之間的距離保持在 6 mm.示波器用于測(cè)試電源的波形.2 L·min-1的氧氣從反應(yīng)器底部進(jìn)入反應(yīng)器,通過(guò) AC放電區(qū)后被 10%的 KI溶液吸收.臭氧測(cè)試儀用于尾氣臭氧量的測(cè)定.

開(kāi)始放電處理前,將含 2.0 g凈炭的廢 AC均勻的放在反應(yīng)器的低壓電極上,處理后將 AC取出進(jìn)行萃取并計(jì)算處理效果.

殘留 PCP的萃取:將處理后的AC放入 250 ml的錐形瓶中,在錐形瓶中分別加入 30 ml丙酮和 30 ml正己烷,然后用 1 ml 37%的鹽酸酸化,在恒溫?fù)u床中振搖 60 min,用超聲清洗器超聲 30 min,重復(fù)上述過(guò)程 6次,最后水浴烘干后用 0.1 mol·l-1的氫氧化鈉溶解,配成溶液以備檢測(cè).

萃取以及吸附殘留液中 PCP的含量用液相色譜測(cè)定[6].

1.3 吸附等溫線測(cè)定

準(zhǔn)確稱取一定量的 AC于 250 ml錐形瓶中,在錐形瓶中分別加入 100 ml不同濃度的 PCP溶液,控制水浴溫度為 25℃,以 150 r·min-1的轉(zhuǎn)速在恒溫?fù)u床中振搖 4d,使吸附達(dá)到平衡.測(cè)定平衡時(shí)吸附質(zhì)的濃度 Ce(mg·l-1),并作吸附等溫線[7].吸附質(zhì)在吸附劑中的平衡吸附量 Qe(mg·g-1)通過(guò)下式計(jì)算:

式中,C0為溶液初始濃度 (mg·l-1),V為溶液體積 (l),W為 AC質(zhì)量 (g).

2 結(jié)果與討論

2.1 放電電壓和電源頻率對(duì)降解效果的影響

圖1顯示了當(dāng)電源頻率分別為 50,100,200和 500Hz,放電時(shí)間為 60 min,AC的含水率為50.1%時(shí),AC上 PCP的降解效率隨電壓的變化情況.從圖1中可以看出,隨著放電電壓的增加 AC上 PCP的降解效率增加,這是因?yàn)樵黾与妷嚎梢蕴岣叻磻?yīng)器的注入能量,增加了活性粒子的數(shù)量.在頻率為 500 Hz,放電電壓為 21.6 kV時(shí),AC上 PCP的降解效率可以達(dá)到 70%.同時(shí)也發(fā)現(xiàn)當(dāng)電源頻率從 50 Hz增加到 500 Hz時(shí),PCP的降解效率也隨之增加.

圖2顯示了不同頻率下反應(yīng)器出口臭氧量隨電壓的變化情況,可以發(fā)現(xiàn),臭氧的變化情況與 PCP的降解效果基本是一致的,這說(shuō)明臭氧在 PCP的降解中起到很重要的作用.

此外,許多研究已經(jīng)表明[8,9]:AC本身可以促使臭氧分解產(chǎn)生更強(qiáng)的活性物種,如·OH,H和一些穩(wěn)定的自由基 AC-O,AC-O3等,這些活性物種可以和 AC上 PCP作用,而且 AC自身的催化效果也是非常顯著的,也有利于 AC上 PCP的降解.

圖1 電壓和頻率對(duì)活性炭上 PCP降解效率的影響Fig.1 The effects of voltage and frequency on degradation efficiency of PCP on AC

圖2 不同電壓和頻率下臭氧量變化Fig.2 The changes of ozone amount under different voltage and frequency

2.2 處理時(shí)間對(duì)降解效果的影響

考察了不同頻率下處理時(shí)間的影響.選擇的處理時(shí)間為 15,60,120和 180 min.放電電壓為21.6 kV,AC含水率為 50.1%.圖3所示為不同頻率下AC上 PCP的降解效率隨處理時(shí)間的變化.從圖3可以看出,在DBD放電 15 min到 60 min這個(gè)時(shí)間段內(nèi),AC上的 PCP降解速度最快.比較 50 Hz和 200 Hz的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),200 Hz放電處理 60 min的降解效果明顯高于 50 Hz處理 180 min的效果.

2.3 DBD等離子體對(duì) AC的再生

為了考察通過(guò) DBD等離子體作用后,AC吸附能力的恢復(fù),比較了循環(huán)處理 3次后的 AC與原炭的吸附等溫線.如圖4所示,循環(huán)處理 3次 AC的吸附量低于原炭,這主要因?yàn)?一方面 AC上 PCP沒(méi)有完全被去除還有殘留,影響了AC的再吸附;另一方面經(jīng)過(guò)多次循環(huán)處理后,DBD可能對(duì)AC的表面結(jié)構(gòu)有破壞.但是 AC經(jīng)過(guò) 3次循環(huán)后仍然有較高的吸附能力.

研究表明普通熱再生AC的損耗是個(gè)突出問(wèn)題,高溫再生時(shí)炭損可達(dá) 5%—8%,而這種方法再生時(shí)炭損卻很小(<1%).而且與化學(xué)再生方法相比,DBD等離子體再生很少產(chǎn)生二次污染,工藝簡(jiǎn)單方便.因此,這種AC再生方法在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景.

圖3 處理時(shí)間對(duì)活性炭上 PCP降解效率的影響Fig.3 The effects of treatment t ime on degradation efficiency of PCP on activated carbon

圖4 原炭和經(jīng)過(guò) 3次再生后活性炭吸附等溫線Fig.4 The adsorption isotherms of virgin carbon and three times regeneration carbon

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明,DBD等離子體可以有效降解 AC上的 PCP.隨著電壓和處理時(shí)間的增加,AC上 PCP的降解效率增加,增加電源頻率對(duì) PCP的降解是有利的.在 PCP被降解的同時(shí),活性炭能夠被再生,而且經(jīng)過(guò)多次再生循環(huán)的AC仍然保持較高的吸附能力.

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ACTIVATED CARBON ADSORPTI ON/D IELECTRIC BARRIER D ISCHARGE PLAS MA FOR TREATMENT OF PENTACHLOROPHENOL

QU Guang-zhou1L I Jie1,2LU Na1,2WU Yan1,2
(1 Institute of Electrostatics and Special Power,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China;2 School of Environmental&Biological Science&Technology,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China)

An integrated activated carbon(AC)adsorption/dielectric barrier discharge(DBD)processwas applied to the treatment of high concentration pentachlorophenol(PCP)water sample.The PCP in water firstly adsorbed onto AC,and then the degradation of PCP and regeneration of exhausted AC were simultaneously carried out byDBD.The degradation effectsof PCP loaded onAC afterDBD plasma treatment and the changes of adsorption isother m of three times regenerated carbon for PCP were studied.The results indicated that increasing the discharge voltage and treatment time could improve the degradation efficiency of PCP on AC,high power frequencywasmore beneficial to degradation of PCP.Thiswork would supply a new method for the decomposition of no-biodegradable organic pollutants and the regeneration ofAC.

dielectric barrier discharge,activated carbon,pentachlorophenol,degradation.

2009年5月9日收稿.

＊國(guó)家 “863”計(jì)劃項(xiàng)目 (2008AA06Z308).

＊＊通訊聯(lián)系人,Tel:86-0411-84708576,E-mail:lijie@dlut.edu.cn