微波協(xié)同活性炭處理甲基橙廢水的研究

李江，陳志敏，張翠紅

（太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，山西太原030008）

1 引言

印染廢水的色度深，有機(jī)物含量大，成分復(fù)雜，會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。對這類廢水的處理方法主要是生化法[2]，近年來，以活性炭為吸附劑聯(lián)用微波協(xié)同處理染料廢水取得了一定的進(jìn)展[3]。本文采用活性炭吸附以及微波誘導(dǎo)催化氧化的物理化學(xué)結(jié)合的方法研究其對模擬印染廢水甲基橙的降解性能。

本實(shí)驗(yàn)的原理一是基于活性炭強(qiáng)大的表面吸附能力[4]，二是有顆粒活性炭是一種優(yōu)良的微波吸收材料[5]，可以吸收并將微波能量轉(zhuǎn)化成熱能，在微波輻照下活性炭表面產(chǎn)生“熱點(diǎn)”，這些熱點(diǎn)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他位置，化學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生，使染料分子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，化學(xué)鍵斷鍵而降解成無色小分子物質(zhì)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)試劑

分析天平(上海舜字恒平科學(xué)儀器有限公司,FA2104)，微電腦微波化學(xué)反應(yīng)器（天津科諾儀器設(shè)備有限公司,WBFY-205）,分光光度計(jì)（上海棱光技術(shù)有限公司，722s），恒溫磁力攪拌器（常州國華電器有限公司，85-2），酸度計(jì)（上海奧豪斯儀器有限公司,STARTER2100），離心機(jī)（北京醫(yī)用離心機(jī)廠，LD24-0.8）；濃硫酸（優(yōu)質(zhì)純，洛陽市化學(xué)試劑廠），NaOH（AR，天津市申泰化學(xué)試劑有限公司），甲基橙(生物染色劑，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)，柱狀活性炭（新華牌）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

活性炭預(yù)處理：將活性炭置于去離子水中浸泡煮沸2h，去除可溶性雜質(zhì)，取出后于烘箱中120℃烘5h左右，烘干后密封干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

取一定量的活性炭置于250mL圓底燒瓶中，加入100mL一定濃度的甲基橙溶液，然后放在微波反應(yīng)器中，接回流裝置，選擇一定的功率和時(shí)間使之反應(yīng)，定時(shí)移取少量溶液冷卻至室溫，離心分離出清液，測定清液的吸光度值，計(jì)算甲基橙溶液的去除率。甲基橙溶液的色度去除率計(jì)算公式：D=（1-A0/A）×100%；式中A0-處理前溶液吸光度，A-處理后溶液吸光度。

3 結(jié)果與討論

3.1 三種不同工藝下甲基橙脫色的對比研究

100 mL濃度20mg/L甲基橙溶液，活性炭0.3g，微波功率30%檔的條件下，分別采用單獨(dú)微波，單獨(dú)活性炭，微波協(xié)同活性炭三種工藝處理甲基橙廢水20min，結(jié)果顯示脫色率分別為：單純微波1.7%，單純活性炭65.1%，微波協(xié)同活性炭92.4%。可見，單純使用微波處理甲基橙廢水幾乎沒有什么變化，單純使用活性炭以及微波和活性炭協(xié)同處理甲基橙廢水變化都較明顯，其中使用微波和活性炭協(xié)同處理甲基橙廢水的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于單純使用活性炭處理的效果。這說明微波與活性炭聯(lián)用，不是簡單的疊加，而是起到了協(xié)同作用。在微波場中,活性炭能有效地吸收微波能量,使得活性炭表面產(chǎn)生許多“熱點(diǎn)”,這些“熱點(diǎn)”處的能量比其它部位高得多,溫度可達(dá)到1000℃以上,當(dāng)印染廢水中的有機(jī)物被吸附到這些“熱點(diǎn)”附近時(shí),可能被催化氧化得以去除[5]。

3.2 甲基橙初始濃度對脫色率的影響

實(shí)驗(yàn)中取 5個(gè)濃度分別為 5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L 的甲基橙溶液 100mL，加入0.3g活性炭，微波功率30%檔，輻照時(shí)間20min，甲基橙脫色效果見圖1。圖1顯示隨著甲基橙濃度的增加，脫色率逐漸減小，5mg/L的甲基橙溶液脫色率可達(dá)到98%，20mg/L的脫色率為92%左右，25mg/L脫色率為80%左右，因?yàn)椴煌瑵舛鹊募谆热芤褐兴玫幕钚蕴康牧渴窍嗤模谆葷舛仍酱螅瑔挝粷舛人?fù)載的活性炭的量就越少，降解率也就越小。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)甲基橙濃度太大吸光度值不穩(wěn)定，所以以下實(shí)驗(yàn)均采用20mg/L的甲基橙為處理對象。

圖1 甲基橙初始濃度對脫色率的影響

3.3 活性炭用量對脫色率的影響

圖2 活性炭用量對脫色率的影響

取100mL濃度20mg/L的甲基橙溶液，加入不同質(zhì)量的活性炭，微波功率為30%檔，微波輻照20min,測定甲基橙脫色率，結(jié)果見圖2。由圖2可見，隨著活性炭用量的增加脫色率逐漸增大，當(dāng)活性炭用量達(dá)到0.4g時(shí)脫色率基本穩(wěn)定，達(dá)到最大值。首先，活性炭量增加，則其吸附水中染料分子的數(shù)量增強(qiáng)，脫色率會(huì)有所提高；其次，在微波場中活性炭量的增加，會(huì)形成更多的“熱點(diǎn)”(活化中心)，有利于有機(jī)物的去除；但是當(dāng)活性炭用量到達(dá)一定限度后其吸附量達(dá)到飽和，使得染料的脫色率趨于穩(wěn)定值[6]。

3.4 微波輻照時(shí)間對脫色率的影響

取100mL濃度20mg/L的甲基橙溶液，加入0.4g活性炭，微波功率為30%檔，微波輻照不同時(shí)間，測定甲基橙脫色率，結(jié)果見圖3。由圖3可見，微波輻照20min時(shí)的甲基橙降解水平已經(jīng)達(dá)到了最高值96.5%。

3.5 微波功率對脫色率的影響

取100mL濃度20mg/L的甲基橙溶液，加入0.4g活性炭，調(diào)節(jié)不同的微波功率，分別為10%，30%，50%，80%，100%檔，微波輻照時(shí)間為20min，測定甲基橙脫色率。當(dāng)微波功率從0到30%檔時(shí)脫色率增大，在30%檔甲基橙脫色率最大，微波功率超過30%檔后脫色率僅略有降低，基本不變。分析原因可能是微波功率較小時(shí)，隨著功率的增加染料分子單位體積吸收的微波輻射能增多，活性炭表面產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”也多，使得染料的脫色率增大；但是當(dāng)微波功率超過30%檔后，脫色率基本不變，這是由于活性炭單位時(shí)間吸收微波能是有限的，多余的微波只能提高水溶液的溫度，對染料分子的去除沒有貢獻(xiàn)[7]。

圖3 微波輻照時(shí)間對脫色率影響

3.6 溶液pH值對脫色率的影響

圖4 溶液pH值對脫色率的影響

取100mL濃度20mg/L的甲基橙溶液，調(diào)節(jié)溶液 pH 值分別為 2，4，6，8，10（甲基橙原液 pH 值為6），加入0.4g活性炭，微波功率為30%檔，微波輻照時(shí)間20min，測定甲基橙脫色率，結(jié)果見圖4。

由圖4可見溶液pH對甲基橙脫色率影響很大，pH減小有利于脫色反應(yīng)進(jìn)行，pH增大到堿性范圍脫色率有所減小，這是由于從甲基橙的結(jié)構(gòu)上看，H+濃度增多有利其N—N雙鍵的斷裂[8]，使得脫色率增大。

3.7 甲基橙溶液紫外可見吸收光譜分析

取甲基橙原液和微波協(xié)同活性炭處理后的溶液做紫外可見吸收光譜，如圖5所示。由圖5可看出，甲基橙原液曲線在466nm和190nm處各有一個(gè)吸收峰，甲基橙是偶氮染料，466nm處的吸收峰是甲基橙的生色團(tuán)N—N雙鍵的吸收峰；在190nm左右的吸收峰是甲基橙分子結(jié)構(gòu)中苯環(huán)的吸收峰[11]。處理后甲基橙溶液的吸收曲線在466nm沒有吸收峰，溶液變?yōu)闊o色，這說明甲基橙的N—N在微波和活性炭的作用下發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂，生成無色小分子；190nm處的吸收峰在處理后更強(qiáng)，說明微波和活性炭的協(xié)同作用不能打開苯環(huán)的化學(xué)鍵，甲基橙分子并沒有被完全降解。

圖5 甲基橙溶液脫色前后吸收曲線對比圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4.1 微波與活性炭聯(lián)合處理染料廢水具有協(xié)同效應(yīng)，廢水中的有機(jī)物能快速被催化氧化得以去除。

4.2 對于100mL、濃度20mg/L的甲基橙溶液，微波輻照處理時(shí)間20min，微波功率30%檔，活性炭用量0.4g，脫色率可達(dá)96.5%。pH的降低有利于脫色反應(yīng)的進(jìn)行。

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