姜 　 南，　孫 德 棟，　潘 婕 妤，　周 　 鑫，　馬 　 春

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連　116034 )

微波輔助活性炭催化硫酸根自由基處理苯酚廢水

姜 南，孫 德 棟，潘 婕 妤，周 鑫，馬 春

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連116034 )

摘要:利用微波及活性炭共同作用促進(jìn)K2S2O8產(chǎn)生硫酸根自由基降解苯酚廢水,通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間、活性炭的投加量、K2S2O8的投加量、微波的消解功率以及pH，對(duì)比反應(yīng)前后苯酚濃度及COD的變化，確定該體系反應(yīng)的最佳條件。研究表明，在微波功率560 W、輻射5 min、活性炭的投加量0.17 g、m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5、pH=4時(shí)，200 mg/L體積為30 mL的苯酚去除率達(dá)到86%，COD去除率達(dá)到85%。

關(guān)鍵詞:廢水；硫酸根自由基；活性炭；微波

0引言

苯酚是工業(yè)廢水中極為常見(jiàn)且來(lái)源廣泛的有毒物質(zhì)之一，在煉油、焦化等工業(yè)廢水中均能檢測(cè)出苯酚，人體即使攝入少量，也會(huì)出現(xiàn)頭昏、瘙癢等中毒癥狀[1]。因此，研究廢水中苯酚的去除具有非常重要的意義。現(xiàn)有的苯酚處理方法，如生化法、電化學(xué)降解法等都存在著耗時(shí)長(zhǎng)、去除率較低等缺點(diǎn)[2-3]，所以近年來(lái)怎樣提高含酚廢水的處理效率一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)方向，隨著研究的深入，一些高級(jí)氧化技術(shù)被應(yīng)用到有機(jī)廢水的深度處理中，如臭氧氧化法、Fenton法、光催化氧化法等[4-5]。

過(guò)硫酸鹽氧化技術(shù)是基于硫酸根自由基的一種新型的水處理高級(jí)氧化技術(shù)，常被用于處理難降解的有機(jī)物或工業(yè)廢水[6-7]。過(guò)硫酸鹽單獨(dú)地氧化有機(jī)物的去除效果并不明顯[8]，但是可通過(guò)加熱[9]、UV[10-11]等方式活化過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的硫酸根自由基，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)難降解有機(jī)污染物的去除。

本文通過(guò)微波輻照活性炭催化過(guò)硫酸鉀產(chǎn)生硫酸根自由基氧化苯酚廢水，其中，微波具有高效加速吸熱反應(yīng)的作用[12]，活性炭能強(qiáng)烈吸收微波,誘導(dǎo)和催化化學(xué)反應(yīng)，且活性炭具有很強(qiáng)的吸附性，微波誘導(dǎo)下,其吸附性提高。實(shí)驗(yàn)旨在研究微波/活性炭/過(guò)硫酸鉀體系在處理苯酚過(guò)程中的影響因素，為高效、徹底處理苯酚廢水提供一種可行的方法。

1實(shí)驗(yàn)

1.1儀器與試劑

儀器：紫外分光光度計(jì),上海第三分析儀器廠；微波消解儀(汕頭市環(huán)海工程總公司制造的美的微波爐)。

試劑：苯酚，過(guò)硫酸鉀，重鉻酸鉀，硫酸亞鐵氨，氯化銨，氨水，鐵氰化鉀，4-氨基安替比林，濃硫酸，氫氧化鈉，硫酸銀。

實(shí)驗(yàn)所用含酚廢水為實(shí)驗(yàn)室自配模擬廢水,廢水含苯酚約200mg/L。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

取200mg/L的苯酚水樣30mL于消解罐中，迅速加入一定量的過(guò)硫酸鉀溶液和一定量的活性炭混勻，同時(shí)做對(duì)照實(shí)驗(yàn)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)包括只有苯酚體系、苯酚和活性炭體系、苯酚和過(guò)硫酸鉀體系。分別放入微波爐中加熱。用硫酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，在不同的反應(yīng)條件下進(jìn)行苯酚降解實(shí)驗(yàn)。取水樣進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)苯酚去除率和COD的去除率來(lái)尋找最佳反應(yīng)條件。

1.3測(cè)定方法

COD測(cè)定采用重鉻酸鉀法[13]，苯酚含量測(cè)定采用 4-氨基安替比林-分光光度法，pH采用FE20型pH計(jì)測(cè)量。

2結(jié)果與討論

2.1微波反應(yīng)時(shí)間對(duì)苯酚及COD去除率的影響

當(dāng)m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5時(shí)，加入一定量的活性炭，調(diào)節(jié)微波功率800W，改變消解時(shí)間，測(cè)量不同消解時(shí)間對(duì)苯酚及COD去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。苯酚-活性炭-過(guò)硫酸鉀體系中，苯酚和COD的去除率隨著微波消解時(shí)間的增加有所提高。反應(yīng)時(shí)間在1～6min時(shí)，苯酚的去除率從22%增到56%，COD的去除率由20%上升到40%。苯酚-過(guò)硫酸鉀體系中，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，苯酚的去除率達(dá)到51%，COD的去除率達(dá)到35%，這是過(guò)硫酸鉀自身的氧化性及加熱活化過(guò)硫酸鉀產(chǎn)生硫酸根自由基所致。苯酚-活性炭體系中，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，苯酚和COD的去除率分別達(dá)到37%和30%，這主要是活性炭的吸附作用。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)苯酚揮發(fā)也在增加，本實(shí)驗(yàn)將微波消解時(shí)間確定為5min。

圖1　微波時(shí)間對(duì)苯酚去除率的影響

圖2　微波時(shí)間對(duì)COD去除率的影響

2.2活性炭投加量對(duì)苯酚及COD去除率的影響

當(dāng)m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5時(shí)，在微波功率800W下消解5min，改變活性炭的投加量，測(cè)定苯酚及COD的濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。苯酚-活性炭-過(guò)硫酸鉀體系苯酚及COD的去除率隨著活性炭投加量的增加有大幅度的提升，這是因?yàn)榛钚蕴渴俏ㄎ镔|(zhì)，在微波的輻射下表面產(chǎn)生許多“熱點(diǎn)”，能量較高的“熱點(diǎn)”，可活化過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生更多的硫酸根自由基，從而加速催化反應(yīng)的進(jìn)行[14]?；钚蕴客都恿吭?.01～0.09g，苯酚和COD的去除率都有很大的提高。投加量在0.09g時(shí)，苯酚和COD的去除率增幅趨緩?；钚蕴客都恿繛?.17g時(shí)，苯酚和COD的去除率都達(dá)到85%以上。因此，本實(shí)驗(yàn)將活性炭的投加量定為0.17g。

圖3　活性炭投加量對(duì)COD和苯酚去除率的影響

2.3過(guò)硫酸鉀投加量對(duì)苯酚及COD去除率的影響

改變過(guò)硫酸鉀投加量，加入0.17g活性炭，在微波功率800W下消解5min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在苯酚-活性炭-過(guò)硫酸鉀體系中，苯酚及COD的去除率隨著過(guò)硫酸鉀投加量的增加有大幅度的提升。這是因?yàn)殡S著過(guò)硫酸鉀投加量的增加，體系中產(chǎn)生的硫酸根自由基的量隨之增加，氧化效果也隨之增強(qiáng)。當(dāng)過(guò)硫酸鉀與苯酚的質(zhì)量比在0.1～0.5時(shí)，苯酚的去除率從60%增到86%，COD的去除率由55%上升到80%；當(dāng)投加比大于0.5后，苯酚的去除率增加并不明顯。因此，本實(shí)驗(yàn)將過(guò)硫酸鉀和苯酚的質(zhì)量比定為0.5。

圖4　　　　K2S2O8投加量對(duì)苯酚和COD的去除率的

2.4pH對(duì)苯酚及COD去除率的影響

在m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5時(shí)，加入0.17g活性炭，在微波功率800W下加熱5min，調(diào)節(jié)pH為2、4、6、8、10、12，待反應(yīng)完畢后冷卻至室溫，進(jìn)行苯酚及COD的測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。pH對(duì)苯酚及COD的去除率有很大影響，隨著pH的增大，去除率在減小，當(dāng)pH>10時(shí)，苯酚和COD的去除率已經(jīng)下降到50%以下，表明在酸性條件下，更有利于過(guò)硫酸鉀活化產(chǎn)生硫酸根自由基。

圖5　pH對(duì)COD和苯酚的去除率的影響

2.5微波消解功率對(duì)苯酚及COD去除率的影響

在m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5時(shí)，加入0.17g活性炭，在微波消解儀中加熱5min，調(diào)節(jié)微波消解功率為80、240、400、560、800W，待反應(yīng)完畢后冷卻至室溫，進(jìn)行苯酚及COD的測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。在微波功率80～560W時(shí)，苯酚-活性炭-過(guò)硫酸鉀體系中苯酚和COD的去除率隨著微波功率的增大有大幅度的提升，苯酚和COD的去除率分別達(dá)到85%和82%。在微波功率大于560W后，苯酚和COD的去除率變化并不明顯。而其他3個(gè)體系的去除率隨著功率的增加也都有所提高，說(shuō)明微波消解功率對(duì)苯酚及COD的去除有明顯影響。微波功率為560W時(shí)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)中苯酚的揮發(fā)量明顯減少，苯酚-活性炭-過(guò)硫酸鉀體系中苯酚及COD的去除率依然維持在80%以上。因此從節(jié)約能源和防止苯酚揮發(fā)的角度考慮，選取消解功率為560W較為合理。

圖6　微波功率對(duì)苯酚的降解率的影響

圖7　微波功率對(duì)COD的降解率的影響

3結(jié)論

(1)以過(guò)硫酸鉀為氧化劑、活性炭為催化劑，通過(guò)微波加熱實(shí)現(xiàn)了苯酚的高效降解，方法簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少，運(yùn)行時(shí)間短，為去除難降解有機(jī)物提供了一種高效可行的方法。

(2)在微波加熱的條件下，考察了微波消解時(shí)間、AC投加量、K2S2O8投加量、pH、微波消解功率對(duì)處理效果的影響，得出優(yōu)化條件：當(dāng)m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5、pH=4、活性炭投加量為0.17g時(shí)，在微波功率560W下，加熱時(shí)間為5min時(shí)，可得到較高的苯酚和COD的去除率，分別達(dá)到85%和82%。

(3)活性炭投加量對(duì)苯酚的去除有很大影響：一是因?yàn)榛钚蕴勘缺砻娣e大，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得活性炭具有良好的吸附性能，能夠吸附一部分苯酚；二是因?yàn)榛钚蕴磕軓?qiáng)烈地吸收微波，在微波的輻射下活性炭表面產(chǎn)生許多能量較高的“熱點(diǎn)”，促使過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生更多的硫酸根自由基，從而提高苯酚的降解率。在酸性條件下，更有利于過(guò)硫酸鉀活化產(chǎn)生硫酸根自由基。

(4)微波-活性炭共同作用活化過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生硫酸根自由基，能更有效地降解苯酚，與活性炭或過(guò)硫酸鉀單獨(dú)作用的降解效果相比，兩者共同作用時(shí)，苯酚的去除率增加了45%左右。

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Degradationofphenolwastewaterbymicrowave-activatedcarbonincatalyzingsulfateradical

JIANGNan,SUNDedong,PANJieyu,ZHOUXin,MAChun

(SchoolofLightIndustryandChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

Abstract:Activated carbon and microwave were used together to promote K2S2O8 degradation of phenol wastewater. The optimal conditions were microwave power of 560 W, radiation time of 5 min, AC dosage of 0.17 g, m(K2S2O8)/m(phenol)=0.5 at pH 4. Under such conditions, phenol (200 mg/L, 30 mL) and COD degradation rate could reach to 86% and 85%, respectively.

Key words:wastewater; sulfate radical; activated carbon; microwave

收稿日期:2015-03-12.

作者簡(jiǎn)介:姜 南(1988-)，女，碩士研究生；通信作者：孫德棟(1970-)，男，副教授.

中圖分類(lèi)號(hào):X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1674-1404(2016)03-0203-04