活性炭

微波诱导活性炭氧化降解阳离子红GTL废水的特性

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 min的条件下，阳离子红GTL去除率达到99.4%；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
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]，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子红GTL研究
2.1.1  活性炭用量对阳离子红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，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4.0 g时，阳离子红GTL的去除率增加不大。
2.1.2  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4.0 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，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。
2.1.3  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4.0 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

 
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

2.1.4  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4.0 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。
2.1.5  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
Fig.4 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 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。结果发现，活性炭吸附去除率为11.7%，单独微波去除率为34.7%，微波活性炭工艺去除率为99.4%，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。
2.1.6  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，即活性炭的组分与结构影响染料的微波处理效果。

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 removal

 
a  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

3  结论
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%；活性炭的吸附能力和吸波能力共同影响染料处理效果。

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 作者：张亚平1，蔡慧农1，韦朝海2，林郑忠1，林锦美1
1. 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