微波協同活性炭處理鹽酸黃連素廢水最佳降解條件的研究

劉 暢

(遼寧省大氣污染防治管理中心，遼寧 沈陽 110000)

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微波協同活性炭處理鹽酸黃連素廢水最佳降解條件的研究

劉 暢

(遼寧省大氣污染防治管理中心，遼寧 沈陽 110000)

摘要：在微波輻射條件下，采用活性炭處理了含鹽酸黃連素廢水。結果表明：微波催化氧化工藝對鹽酸黃連素的處理效果明顯優于單純活性炭吸附與單純微波輻射工藝。通過正交實驗得出微波處理的最佳條件：對于400 mg/L的鹽酸黃連素模擬水樣，活性炭用量0.7 g，微波功率700 W，微波時間5 min，此時的去除率為89.12%。

關鍵詞：鹽酸黃連素廢水；微波；活性炭；催化氧化；正交實驗

1引言

鹽酸黃連素作為化學合成黃連素生產工藝過程中的成品沖洗廢水的主要污染物，廢水中的濃度在1 000 mg/L左右[1]，對微生物具有很強的毒性。目前，鹽酸黃連素廢水的處理技術主要是高級氧化技術[2，3]。微波技術作為一門新興技術，近年來受到人們的廣泛關注[4～6]。活性炭對于微波有很強的吸收能力，由于其表面的不均勻性，微波輻射可使其表面生成溫度很高的“熱點”，這些“熱點”的溫度和能量要比其它部位高得多，故常被用作誘導化學反應的催化劑[7]。因此，利用催化氧化技術處理含鹽酸黃連素廢水，降低廢水中鹽酸黃連素的濃度，實現含鹽酸黃連素廢水達標排放，對保護和改善水質、緩解水資源危機具有重大的意義。

2實驗部分

2.1實驗儀器與材料

活性炭(朝陽森源活性炭有限公司)：粒狀活性炭(粒徑2.00～5.00 mm≥90%，<2.00 mm≤5%)，顆粒狀活性炭(粒徑>800 μm≤2%，400～700 μm≥85%，<355 μm≤2%)，粉末狀活性炭(粒徑400～700 μm>87%，<355 μm≤2%)；UV3010紫外-可見分光光度計(日本島津公司)；D70D20CTL-D5微波爐(格蘭仕微波爐電器有限公司)；Anke TGL-16G超速冷凍離心機(上海安亭科學儀器廠)；BS110S電子分析天平(北京賽多利斯)。

鹽酸黃連素標準品：優級純。鹽酸黃連素標準溶液：用電子天平稱取鹽酸黃連素標準品400 mg，置于1L容量瓶中，加適量蒸餾水，在60 ℃水浴上加熱溶解，放冷至室溫，用蒸餾水定容至刻度，配制成400 mg/L的溶液，搖勻備用。

2.2實驗方法

鹽酸黃連素測定方法：將處理后的鹽酸黃連素溶液，5 000 r/min離心分離15 min。取離心后的上清液于比色皿內，以蒸餾水為空白對照，采用UV 3010紫外-可見分光光度計于345 nm處測定。

取50 mL濃度為400 mg/L的鹽酸黃連素溶液于100 mL錐形瓶中，加入適量活性炭，瓶口以保鮮膜覆蓋，以減少水分及鹽酸黃連素的揮發，然后置于微波爐中，在一定的功率下，經過一定時間的微波后取出，冷卻至室溫后過濾，測定鹽酸黃連素含量，用此鹽酸黃連素的去除率表征水樣的降解效果。考察不同處理工藝對鹽酸黃連素去除率的影響，包括單純活性炭吸附、單純微波輻射和微波協同活性炭催化氧化工藝對鹽酸黃連素的處理效果。通過單因素和正交實驗得出微波處理的最佳條件。以活性炭用量(g)、微波功率(w)、微波時間(min)為考察對象，按照L9(33) 三因素三水平設計正交試驗，確定最佳降解條件。

3結果與討論

3.1不同處理工藝對鹽酸黃連素去除率的研究

比較單純活性炭吸附、單純微波輻射、微波協同活性炭催化氧化3種處理工藝對鹽酸黃連素去除率的影響。實驗采用顆粒狀活性炭0.5g，400mg/L鹽酸黃連素溶液，微波輻射功率700W。

由圖1可知，只有單純活性炭吸附時，鹽酸黃連素去除率在5 min時也只達到33.92%。單純微波輻射時，對鹽酸黃連素基本沒有去除作用。當微波協同活性炭催化氧化時，鹽酸黃連素的去除率在5 min時達到77.16%。分析其原因，主要是因為微波協同活性炭處理過程中，不僅存在活性炭吸附作用，也存在微波誘導催化氧化作用。

3.2不同條件下微波協同活性炭催化氧化技術對鹽酸黃連素去除率的研究

3.2.1鹽酸黃連素的初始濃度對其去除率的影響

考察不同初始濃度的鹽酸黃連素溶液對鹽酸黃連素去除率的影響。實驗添加了0.5 g顆粒狀活性炭，微波輻射功率700 W，微波輻射時間4 min。

由圖2可知，在100～500 mg/L范圍內，鹽酸黃連素的去除率隨鹽酸黃連素初始濃度的增大而逐漸降低。在100 mg/L時，鹽酸黃連素去除率最高，達到93.70%。在400～500 mg/L范圍內，鹽酸黃連素去除率相差不大，在5%之內，分別為63.89%和60.41%。這說明低濃度的鹽酸黃連素較容易被去除。

3.2.2活性炭粒徑對鹽酸黃連素去除率的影響

考察不同粒徑的活性炭對鹽酸黃連素的去除率的影響。鹽酸黃連素初始濃度400 mg/L，活性炭用量0.5 g，微波輻射功率700 W，輻射時間4 min。

由圖3可以看出，其他實驗條件相同時，活性炭粒徑越小，鹽酸黃連素的去除率越高。這主要有兩方面的原因：①活性炭的粒徑越小，比表面積越大，與鹽酸黃連素接觸的越多，從而吸附性能越好。②粒徑較小的活性炭具有較多的活性金屬點位，容易形成更多的“熱點”。鹽酸黃連素更容易與活性炭表面的熱點結合，有利于微波誘導氧化反應的進行。

3.2.3活性炭用量對鹽酸黃連素去除率的影響

實驗測定了不同活性炭用量對鹽酸黃連素的去除率。鹽酸黃連素初始濃度400 mg/L，顆粒狀活性炭，微波輻射功率700 W，輻射時間4 min。

圖4表明，隨著活性炭用量的增加，鹽酸黃連素去除率逐步上升，當活性炭的用量增加至1.1 g時，鹽酸黃連素的去除率達到99.48%。主要是因為：一方面，

活性炭充當吸附劑，把鹽酸黃連素吸附于表面。另一方面，在微波的作用下，活性炭表面產生許多“熱點”，促進鹽酸黃連素的反應。當活性炭的用量增加時，與鹽酸黃連素接觸的有效活性炭越多，從而鹽酸黃連素的去除率越高。

3.2.4微波輻射時間對鹽酸黃連素去除率的影響

實驗測定了微波輻射時間的不同對鹽酸黃連素去除率的影響。鹽酸黃連素初始濃度400 mg/L，顆粒狀活性炭0.5 g，微波功率700 W。

從圖5可以看出，隨著微波輻射時間的增長，鹽酸黃連素的去除率逐步提高。而在5～6 min時，反應又趨于平緩。可能是因為活性炭的吸附反應和催化反應，都是可逆反應，在這兩種反應都達到平衡的時候，活性炭便不再起作用，或者作用現象甚微。

3.2.5微波輸出功率對鹽酸黃連素去除率的影響

實驗測定了微波功率對鹽酸黃連素去除率的影響。實驗條件：鹽酸黃連素初始濃度400 mg/L，顆粒狀活性炭0.5 g，微波輻射時間4 min。

從圖6可以看出，隨著微波功率的增加，鹽酸黃連素的去除率升高。主要是因為增加微波輸出功率時，降解體系的溫度上升較快，降解體系處于高溫的時間長，且單位面積吸收微波的能量增加，活性炭表面能量分布較高的“熱點”增多，從而增加分子的碰撞頻率和分子化合鍵的斷裂，有利于水樣中的有機物降解，反應速度相對較快。

3.4正交實驗及結果

本實驗確定以活性炭用量(g)、微波輸出功率(W)、微波輻射時間(min)為考察對象，進行三因子三水平正交實驗，并確定最佳的降解條件(表1)。

表1　正交實驗設計與結果

根據表2中各因子分析值的極差可以看出，各因素對鹽酸黃連素去除率的影響大小為活性炭用量(g)>微波輸出功率(W)>微波輻射時間(min)。這說明對于400 mg/L的鹽酸黃連素模擬水樣，采用顆粒狀活性炭(粒徑>800 μm≤2%，400～700 μm≥85%，<355 μm≤2% )時，微波協同活性炭催化氧化處理鹽酸黃連素的最佳條件為：活性炭用量0.7 g，微波功率700 W，微波時間5 min，此時的去除率為89.12%。

4結語

(1)研究不同處理工藝對鹽酸黃連素去除率的影響，結果表明微波協同活性炭催化氧化工藝處理鹽酸黃連素廢水效果明顯優于單純活性炭吸附與單純微波輻射工藝。

(2)研究了鹽酸黃連素的初始濃度、活性炭粒徑、活性炭用量、微波輸出功率、微波輻射時間對鹽酸黃連素去除率的影響。實驗確定了三因子三水平，通過正交實驗發現各因素對鹽酸黃連素去除率的影響大小為活性炭用量(g)>微波輸出功率(W)>微波輻射時間(min)。對于400 mg/L的鹽酸黃連素模擬水樣，微波協同活性炭催化氧化處理鹽酸黃連素的最佳條件為：活性炭(粒徑>800 m的≤2%，400 μm～700 μm的≥85%，<355 μm的≤2% )用量0.7 g，微波功率700 W，微波時間5 min。最佳降解條件時，鹽酸黃連素的去除率能達到89.12%。

參考文獻：

[1] Ren M J，Zeng P，Song Y H，et al．Performance of pulse electro-coagulation on berberine hydrochloride wastewater[C]//IWA.The 2nd IWA Asia Pacific Regional YWP Conference. Beijing:IWA Publishing，2009:181～187．

[2]崔曉宇，曾萍，邱光磊，等．Fenton法處理黃連素廢水試驗[J]．環境科學研究，2012，25(8):916～921．

[3]肖宏康，肖書虎，張國芳，等．電化學氧化法處理模擬黃連素制藥廢水的研究[J]．環境工程學報，2011，5(5):987～991．

[4]Polaert I，Estel L，Ledoux A．Microwave-assistedremediation of phenol wastewater on activated charcoal[J]．Chemical Engineering Science，2005，60(22):6354～6359．

[5]Rudolph A A．Insitu remediation of soils contaminatedwith toxic metal ions using microwave energy[J]．Chemosphere，2003(53):1077～1085．

[6]Jones D A，Lelyveld T P，Mavrofidis S D．Microwaveheating applications in environmental engineering-a review[J]．Resources，conservation and recycling，2002(34):75～90．

[7]王鵬．環境微波化學技術[M]．北京:化學工業出版社，2003:19～36．

文章編號：1674-9944(2016)02-0073-03

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

作者簡介：劉暢(1983—)，女，遼寧人，滿族，工程師，主要從事環境保護管理工作。

收稿日期：2015-10-20