微波催化氧化處理含酚廢水工藝優(yōu)化

王 超，李寶豐，于鵬飛，李團(tuán)結(jié)，趙宗祺，周銘強(qiáng)

(1.青島市排水運(yùn)營(yíng)服務(wù)中心，山東 青島266000；2.青島潤(rùn)水市政工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島266000；3.青島市政務(wù)服務(wù)和公共資源交易中心，山東 青島266032；4.青島市團(tuán)島污水處理廠，山東 青島266000；5.青島市海泊河污水處理廠，山東 青島266000；6.青島能源熱電集團(tuán)有限公司,山東 青島 266000)

苯酚是一種非常重要的化工原料，在化工、合成纖維、染料、醫(yī)藥及農(nóng)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。苯酚具有高毒性和致癌性，未經(jīng)處理的含酚廢水直接排放，會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成嚴(yán)重危害[1-3]。目前，含酚廢水的處理方法主要包括生化法、吸附法、電化學(xué)法、催化氧化法等[4-6]。催化氧化法作為一種新型水處理技術(shù)，近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。催化氧化法主要包括光催化氧化法、濕式催化氧化法、電催化氧化法、微波催化氧化法等[7-9]。其中微波催化氧化法能通過(guò)較高強(qiáng)度及較短脈沖的微波輻射將催化劑表面的活性位點(diǎn)迅速激活，使有機(jī)污染物能夠快速吸附到催化劑表面，被催化氧化降解，從而達(dá)到去除有機(jī)污染物的目的[10-13]。微波催化氧化法具有氧化徹底、處理速度快、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染物，在含酚廢水處理領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。鑒于此，作者以AFC-1為催化劑、H2O2為氧化劑，對(duì)模擬含酚廢水進(jìn)行微波催化氧化處理，考察H2O2濃度、催化劑AFC-1加量、反應(yīng)時(shí)間、pH值、微波功率、初始苯酚濃度、催化劑AFC-1重復(fù)使用次數(shù)等對(duì)苯酚去除率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

納米氧化鋁負(fù)載型催化劑AFC-1、模擬含酚廢水，自制。

H2O2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)，茂名雄大化工有限公司；4-氨基安替比林、鐵氰化鉀、氫氧化鈉、濃硫酸，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；苯酚，分析純，北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司。

微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀(課題組委托廠家改造加工)；FA1204B型電子分析天平，上海平軒科學(xué)儀器有限公司；PHS-3E型酸度計(jì)，濟(jì)南歐萊博科學(xué)儀器有限公司；721型分光光度計(jì)，濟(jì)南童鑫生物科技有限公司；DZF-6050型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海儀天科學(xué)儀器有限公司。

1.2 苯酚濃度的測(cè)定

采用4-氨基安替比林法測(cè)定苯酚濃度，具體步驟如下：在比色管中加入一定量的模擬含酚廢水，加水稀釋，加入一定量緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值至9.8～10.2，然后加入一定量4-氨基安替比林溶液，搖勻后，再加入一定量的鐵氰化鉀溶液，靜置20 min左右使其發(fā)色；以蒸餾水作為參比，測(cè)定510 nm處吸光度，繪制苯酚濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3 微波催化氧化處理含酚廢水

將一定量一定濃度的模擬含酚廢水加入到250 mL錐形瓶中，然后按一定比例加入H2O2和催化劑AFC-1，搖勻后，置于微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀中；在一定功率下反應(yīng)一定時(shí)間后，測(cè)定溶液中苯酚濃度，計(jì)算苯酚去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 H2O2濃度對(duì)苯酚去除率的影響

在初始苯酚濃度為200 mg·L-1、催化劑AFC-1加量為2 000 mg·L-1、反應(yīng)時(shí)間為12 min、pH值為7、微波功率為300 W的條件下，考察H2O2濃度對(duì)苯酚去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 H2O2濃度對(duì)苯酚去除率的影響

由圖1可以看出，隨著H2O2濃度的增大，苯酚去除率逐漸升高，當(dāng)H2O2濃度增大至3 000 mg·L-1時(shí)，苯酚去除率達(dá)到80%以上；繼續(xù)增大H2O2濃度，苯酚去除率基本不變。這是由于，當(dāng)H2O2濃度逐漸增大時(shí)，溶液中生成的·OH逐漸增多，對(duì)苯酚的氧化能力也逐漸增強(qiáng)，苯酚去除率逐漸升高；而當(dāng)H2O2濃度增大至一定值后，溶液中過(guò)量的H2O2會(huì)對(duì)·OH的生成起一定的抑制作用，進(jìn)而使苯酚去除率不再繼續(xù)提升。因此，綜合考慮苯酚去除效果及處理成本等因素，選擇最佳H2O2濃度為3 000 mg·L-1。

2.2 催化劑AFC-1加量對(duì)苯酚去除率的影響

在初始苯酚濃度為200 mg·L-1、H2O2濃度為3 000 mg·L-1、反應(yīng)時(shí)間為12 min、pH值為7、微波功率為300 W的條件下，考察催化劑AFC-1加量對(duì)苯酚去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，隨著催化劑AFC-1加量的增大，苯酚去除率逐漸升高，當(dāng)催化劑AFC-1加量增大至3 500 mg·L-1時(shí)，苯酚去除率達(dá)到85%以上；繼續(xù)增大催化劑AFC-1加量，苯酚去除率基本不變。說(shuō)明，催化劑AFC-1的加入能夠明顯提升苯酚的去除效果，當(dāng)催化劑AFC-1加量較少時(shí)，就能達(dá)到較好的催化氧化處理效果。另外，催化劑AFC-1加量越大，提供的活性位點(diǎn)就越多，從而有助于提高苯酚去除率；但當(dāng)催化劑AFC-1加量達(dá)到一定量時(shí)，即催化氧化反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，繼續(xù)增大催化劑AFC-1加量，對(duì)苯酚去除效果的影響不明顯。因此，選擇最佳催化劑AFC-1加量為3 500 mg·L-1。

圖2 催化劑AFC-1加量對(duì)苯酚去除率的影響

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)苯酚去除率的影響

在初始苯酚濃度為200 mg·L-1、H2O2濃度為3 000 mg·L-1、催化劑AFC-1加量為3 500 mg·L-1、pH值為7、微波功率為300 W的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)苯酚去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)苯酚去除率的影響

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，苯酚去除率逐漸升高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為15 min時(shí)，苯酚去除率升至90%以上；繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，苯酚去除率基本不變。這是由于，在反應(yīng)初期，體系中產(chǎn)生的·OH量隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增多，并且催化劑誘導(dǎo)氧化有機(jī)物反應(yīng)的活性位點(diǎn)也逐漸增多，苯酚去除率逐漸升高；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，體系中有機(jī)物含量大幅減少，反應(yīng)已逐漸達(dá)到平衡，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，苯酚去除率基本不再提升。因此，選擇最佳反應(yīng)時(shí)間為15 min。

2.4 pH值對(duì)苯酚去除率的影響

在初始苯酚濃度為200 mg·L-1、H2O2濃度為3 000 mg·L-1、催化劑AFC-1加量為3 500 mg·L-1、反應(yīng)時(shí)間為15 min、微波功率為300 W的條件下，考察pH值對(duì)苯酚去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 pH值對(duì)苯酚去除率的影響

由圖4可以看出，隨著pH值的增大，苯酚去除率呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)pH值為7時(shí)，苯酚去除率達(dá)到最高。這是由于，在弱酸性或中性條件下，催化劑AFC-1的吸附效果較好，能夠促進(jìn)苯酚的吸附氧化，從而提高苯酚去除率；而在堿性條件下，催化劑AFC-1極易溶解，使得催化氧化處理效率下降，導(dǎo)致苯酚去除率有所降低。因此，選擇最佳pH值為7，建議在微波催化氧化處理含酚廢水時(shí)盡可能選擇體系的pH值為弱酸性或者中性。

2.5 微波功率對(duì)苯酚去除率的影響

在初始苯酚濃度為200 mg·L-1、H2O2濃度為3 000 mg·L-1、催化劑AFC-1加量為3 500 mg·L-1、反應(yīng)時(shí)間為15 min、pH值為7的條件下，考察微波功率對(duì)苯酚去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 微波功率對(duì)苯酚去除率的影響

由圖5可以看出，隨著微波功率的增大，苯酚去除率逐漸升高，當(dāng)微波功率增至500 W時(shí)，苯酚去除率達(dá)到95%以上；繼續(xù)增大微波功率，苯酚去除率基本不變。這是由于，微波功率的增大有助于提升催化劑表面活性位點(diǎn)的數(shù)量，從而有利于吸附廢水中的苯酚，提高苯酚去除率；而當(dāng)微波功率增大至一定程度時(shí)，廢水中的苯酚已基本去除完全，再繼續(xù)增大微波功率，苯酚去除率基本不再提升。因此，綜合考慮處理成本等因素，選擇最佳微波功率為500 W。

2.6 初始苯酚濃度對(duì)苯酚去除率的影響

在H2O2濃度為3 000 mg·L-1、催化劑AFC-1加量為3 500 mg·L-1、反應(yīng)時(shí)間為15 min、pH值為7、微波功率為500 W的條件下，考察初始苯酚濃度對(duì)苯酚去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 初始苯酚濃度對(duì)苯酚去除率的影響

由圖6可以看出，隨著初始苯酚濃度的增大，苯酚去除率逐漸降低，當(dāng)初始苯酚濃度小于500 mg·L-1時(shí)，苯酚去除率的降幅較??；當(dāng)初始苯酚濃度為500 mg·L-1時(shí)，苯酚去除率仍可達(dá)到90%以上，處理效果較好；而當(dāng)初始苯酚濃度大于500 mg·L-1時(shí)，苯酚去除率的降幅迅速增大，處理效果較差。說(shuō)明，初始苯酚濃度對(duì)微波催化氧化處理含酚廢水的影響較大。因此，建議在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)選擇合適的初始苯酚濃度，以保證較高的苯酚去除率。

2.7 催化劑AFC-1重復(fù)使用次數(shù)對(duì)苯酚去除率的影響

在初始苯酚濃度為200 mg·L-1、H2O2濃度為3 000 mg·L-1、催化劑AFC-1加量為3 500 mg·L-1、反應(yīng)時(shí)間為15 min、pH值為7、微波功率為500 W的條件下，考察催化劑AFC-1重復(fù)使用次數(shù)對(duì)苯酚去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可以看出，隨著催化劑AFC-1重復(fù)使用次數(shù)的增加，苯酚去除率有所降低，但降幅較??；當(dāng)催化劑AFC-1重復(fù)使用5次后，苯酚去除率仍可達(dá)90%以上，處理效果較好。說(shuō)明，催化劑AFC-1具有較長(zhǎng)的使用壽命，可以節(jié)約處理成本。

圖7 催化劑重復(fù)使用次數(shù)對(duì)苯酚去除率的影響

3 結(jié)論

(1)在H2O2濃度為3 000 mg·L-1、催化劑AFC-1

加量為3 500 mg·L-1、反應(yīng)時(shí)間為15 min、pH值為7、微波功率為500 W的最佳條件下，對(duì)初始苯酚濃度為200 mg·L-1的模擬含酚廢水進(jìn)行微波催化氧化處理，苯酚去除率達(dá)到95%以上，處理效果較好。

(2)初始苯酚濃度對(duì)微波催化氧化處理含酚廢水的影響較大，當(dāng)初始苯酚濃度大于500 mg·L-1時(shí)，苯酚去除率降幅較大，在上述最佳處理?xiàng)l件下，建議初始苯酚濃度不超過(guò)500 mg·L-1。

(3)催化劑AFC-1重復(fù)使用5次后，苯酚去除率仍可達(dá)90%以上，催化劑AFC-1具有較長(zhǎng)的使用壽命。