微波诱导活性炭氧化降解阳离子红GTL废水的特性

1、微波诱导活性炭氧化降解阳离子红GTL废水的特性张亚平1，蔡慧农1，韦朝海2，林郑忠1，林锦美11. 集美大学环境工程研究所，福建 厦门 361021，2. 华南理工大学环境科学与工程学院，广东 广州 510640摘要：采用微波诱导氧化工艺技术，以活性炭为催化剂，对阳离子红GTL染料废水进行氧化处理，考察了活性炭用量、微波功率、反应时间及染料初始质量浓度对阳离子红GTL去除率的影响，利用SEM/EDS、BET表征了反应前后活性炭的结构及组分变化。结果表明：微波和活性炭具有协同效应；在pH=7.0，活性炭用量4 g，阳离子红质量浓度为50 mg·L-1，微波功率300 W，反应时间4 m

2、in的条件下，阳离子红GTL去除率达到9%；活性炭的结构与组分影响阳离子红GTL的微波处理效果。关键词：水处理；微波诱导氧化工艺；活性炭；染料废水中图分类号：X 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）05-1792-04微波作为一种波长短，频率高、辐射快的电磁波，已被广泛应用于工业、农业、医疗、科学研究等领域。研究表明，微波加热具有选择性。根据对微波的接受程度不同，一般将物质大致分为微波导体、微波绝缘体和微波吸收体。微波吸收体相当于一种“敏化剂”作催化剂或催化剂载体，就可在微波辐照下实现所谓的微波诱导催化反应1。微波诱导氧化技术在水处理领域的应用研究已成为研究的热点之一2-6

3、，研究中利用活性炭作为诱导化学反应的催化剂的报道较多7-10，但是对活性炭诱导催化的深层次机理问题还有待于进一步回答。染料废水主要来源于染料及染料中间体生产行业，其组分复杂、浓度高、色度大，是一类较为难降解的有机废水。染料作为主要的环境污染物，全世界每年排放到环境中的染料占其生产总量的15%11，偶氮染料是商业产品中最重要的染料系列，占工业应用染料的50%以上12，厌氧环境情况下形成芳胺类化合物具有致癌性，属于持久性有机污染物。阳离子红GTL（碱性红18）作为一种重要的具有代表性的阳离子偶氮染料，广泛地应用于腈纶及其混纺织物的印染，它的微波处理目前还未见报道，本文利用活性炭作为诱导催化剂降解阳

4、离子红GTL模拟废水，尝试说明阳离子红GTL的降解效果，进一步阐明活性炭诱导催化的机理。1 实验部分1.1 仪器与试剂 颗粒活性炭、上海恒信化学试剂有限公司，阳离子红GTL为化学纯，广东汕头西陇化工厂；Carry 50 型紫外-可见分光光度计，东南化学仪器有限公司；夏普R-5880型微波炉，pHS-25型数显pH计，上海精密科学仪器有限公司。1.2 实验方法取50 ml调好pH值的一定浓度的阳离子红GTL 模拟废水倒入锥型瓶中，加入一定量的活性炭，微波辐射一定时间后，冷却至室温，溶液补加蒸馏水至50 ml，在530 nm测定其吸光度，计算染料去除率。2 结果与讨论2.1 微波活性炭系统降解阳离

5、子红GTL研究 活性炭用量对阳离子红GTL去除的影响，阳离子红质量浓度为50 mg·L-1，微波功率为300 W，反应时间4 min时，考察了活性炭用量对阳离子红GTL降解的影响，结果见图1。从图中可以看出，随着催化剂用量的增加脱色率逐渐提高，这是因为催化剂的量越多，提供的用于吸附降解有机物的活性点位或“热点”也越多，当加入量达到 g时，阳离子红GTL的去除率增加不大。 微波功率对阳离子红GTL去除的影响 在pH为7.0，阳离子红质量浓度为50 mg·L-1，反应时间4 min，活性炭用量 g时，研究微波功率对阳离子红降解的影响。结果见图2。功率增大有助于阳离子红染料去除，

6、当微波辐射功率为300 W，去除率随功率提高增幅变化不大，微波功率选为300 W。 反应时间对阳离子红GTL去除的影响在pH为7.0，阳离子红质量浓度为50 mg·L-1，微波功率为300 W，活性炭用量 g时，研究微波反应时间对阳离子红降解的影响。结果如图3所示。微波辐射时间对去除效果有较大影响，随着时间延长，去除率提高，当辐射时间为4 min时，染料去除率达到99.4%。继续延长时间，去除率提高不大。图1 活性炭用量对阳离子红GTL去除的影响Fig. 1 Effect of activated carbon usage on removal of cationic red GTL

7、图2 微波功率对阳离子红GTL去除的影响Fig. 2 Effect of microwave power on removal of cationic red GTL 染料质量浓度对阳离子红GTL去除的影响 在pH为7.0，微波功率为300 W，活性炭用量 g，反应时间4 min时，研究了染料质量浓度对阳离子红GTL降解的影响，结果见图4。随着染料质量浓度从10提高50 mg·L-1，去除率升高，当质量浓度超过50 mg·L-1时，去除率下降，这可能是由于吸附氧化的速率匹配问题，当染料质量浓度低时，吸附过程决定反应速率，随着染料质量浓度增加，吸附速率加大，染料去除率增加，当

8、染料质量浓度超过50 mg·L-1后，氧化速率决定去除效果。因此存在反应的最佳染料质量浓度问题。 不同工艺对阳离子红GTL 去除的影响图3 反应时间对阳离子红GTL去除的影响Fig. 3 Effect of reaction time on removal of cationic red GTL图4 染料质量浓度对阳离子红GTL去除的影响 Effect of dye concentration on removal of cationic red GTL 图5 不同工艺对阳离子红GTL去除的影响Fig. 5 Effect of various process on cationic

9、red GTL removal 实验比较了微波单独处理、微波活性炭工艺、活性炭吸附三种工艺对阳离子红GTL去除的影响，结果见图5%，这说明微波和活性炭联用存在协同效应，同时发现，将活性炭采用酸处理后，微波活性炭效果变差，可能原因是酸处理去除了活性炭表面的部分金属离子，导致活性炭微波吸收能力下降。 活性炭重复使用 将活性炭重复利用多次以考察活性炭的重复利用效果，结果见图6。可见活性炭连续使用14次，去除效果有所下降，但是整体效果都在80%以上，因此可以认为活性炭具有良好的催化活性、稳定性和机械强度。2.2 微波诱导机制讨论 为探讨活性炭诱导催化机理，将使用前后的活性炭进行了SEM/EDS和BET

10、分析，结果见图7和表1，2。从图中可以看出，反应前活性炭孔径分布比较均匀，未见裸露的大孔，可以看见表面的小颗粒活性炭，反应后，发现小颗粒活性炭脱落，裸露出大孔，通过EDS数据显示元素铁和钙有一定程度的降低。同时BET分析表明，活性炭比表面积有所降低，孔径尺寸有所增大，二者存在很好的印证，结合活性酸处理后效果变差，我们可以推断出在微波作用下，活性炭表面和主体构架结合不太紧密的部分脱落，形成大孔，一方面降低活性比表面积，减弱了活性炭的吸附能力，这一点与王金成的研究结果相一致13，同时金属组分的损失也减弱了活性炭的微波吸收能力，综合说来，活性炭的吸附能力和吸波能力共同影响染料处理效果，即活性炭的组分

11、与结构影响染料的微波处理效果。表1 活性炭使用前后EDS分析结果Table 1 EDS results of activated carbon before and after useWeight%COAlSiSCaFe反应前反应后表2 活性炭使用前后BET测试结果Table 2 BET results of activated carbon before and after useBET surface area/(m2·g-1)Total pore volume/(cm3·g-1)Average pore size/nm反应前7540.066 3.2 反应后7040.0

12、66 4.0 3 结论 图6 活性炭重复使用对阳离子红GTL去除的影响Fig. 6 Effect of repeated use of activated carbon on cationic red GTL removala 反应前b 反应后图7 活性炭使用前后的SEM图像Fig. 7 SEM micrograph of activated carbon before and after use 微波诱导活性炭处理阳离子红GTL的条件为pH=7.0，活性炭用量4 g，微波功率300 W，反应时间4 min，阳离子红质量浓度为50 mg·L-1，阳离子红GTL去除率达到99.4%；活

13、性炭的吸附能力和吸波能力共同影响染料处理效果。 参考文献： 1 张国宇, 王鹏, 姜思鹏, 等. 微波诱导氧化处理雅格素红BF-3B150%染料废水的研究J. 环境科学, 2004, 25(增刊): 52-55.Zhang Guoyu, Wang Peng, Jiang Sipeng, et al. Treatment of ARGAZOL BF-3B 150% by microwave induced oxidationJ. Environmental Science, 2004, 25(sup): 52-55.2 Sun Yong, Zhang Yaobin, Quan Xie. Trea

14、tment of petroleum refinery wastewater by microwave assisted catalytic wet air oxidation under low temperature and low pressureJ. Separation and purification technology, 2008, 62(3): 565-570.3 HORIKOSHI S S, KAJITANI M, SERPONE N. A novel environmental risk-free microwave discharge electrodeless lam

15、p (MEDL) in advanced oxidation process: Degradation of the 2, 4-herbicideJ. Journal of photochemistry and photobiology A: Chemistry, 2007, 189(2/3): 355-363.4 GROMBONI C F, KAMOGAWA M, FERREIRA A G, et al. Microwave-assisted photo-Fenton decomposition of chlorfenvinphos and cypermethrin in residual

16、waterJ. Journal of photochemistry and photobiology A: Chemistry, 2007, 185(1):32-37.5 Ai Zhihui, Wang Yunan, Xiao Mi, et al. Microwave induced catalytic oxidation of RhB by a nanocomposite of FeFe2O3 core-shell nanowires and carbon nanotubesJ. Journal of physical chemistry C, 2008, 12(26): 9847-9853

17、.6 LAI THELONG, LIU JYONGYUE, YONG KIMFUI, et al. Microwave-enhanced catalytic degradation of 4-chlorophenol over nickel oxides under low temperatureJ. Journal of Hazardous Materials, 2008, 157(2-3): 496-502.7 姜思鹏, 王鹏, 张国宇, 等. 微波诱导氧化法处理BF-BR染料废水J. 中国给水排水, 2004, 20(4):13-15. Jiang Sipeng , Wang Peng,

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23、n oxidation processZhang Yaping1, Cai Huinong, Wei Chaohai2, Lin Zhengzhong1, Lin Jinmei11. Institute of Environmental Engineering, JiMei university, Xiamen, Fujian 361021, China; 2. School of Environmental Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, ChinaAbstract: Cationic red GTL was treated by microwave induced oxidation process, in which activated carbon was use