微波协同活性炭处理甲基橙废水的研究

李江，陈志敏，张翠红

（太原工业学院化学与化工系，山西太原030008）

1 引言

印染废水的色度深，有机物含量大，成分复杂，会对环境造成严重污染[1]。对这类废水的处理方法主要是生化法[2]，近年来，以活性炭为吸附剂联用微波协同处理染料废水取得了一定的进展[3]。本文采用活性炭吸附以及微波诱导催化氧化的物理化学结合的方法研究其对模拟印染废水甲基橙的降解性能。

本实验的原理一是基于活性炭强大的表面吸附能力[4]，二是有颗粒活性炭是一种优良的微波吸收材料[5]，可以吸收并将微波能量转化成热能，在微波辐照下活性炭表面产生“热点”，这些热点的温度远远高于其他位置，化学反应更容易发生，使染料分子发生电子转移，化学键断键而降解成无色小分子物质。

2 实验部分

2.1 实验仪器及实验试剂

分析天平(上海舜字恒平科学仪器有限公司,FA2104)，微电脑微波化学反应器（天津科诺仪器设备有限公司,WBFY-205）,分光光度计（上海棱光技术有限公司，722s），恒温磁力搅拌器（常州国华电器有限公司，85-2），酸度计（上海奥豪斯仪器有限公司,STARTER2100），离心机（北京医用离心机厂，LD24-0.8）；浓硫酸（优质纯，洛阳市化学试剂厂），NaOH（AR，天津市申泰化学试剂有限公司），甲基橙(生物染色剂，天津市光复精细化工研究所)，柱状活性炭（新华牌）。

2.2 实验方法

活性炭预处理：将活性炭置于去离子水中浸泡煮沸2h，去除可溶性杂质，取出后于烘箱中120℃烘5h左右，烘干后密封干燥保存备用。

取一定量的活性炭置于250mL圆底烧瓶中，加入100mL一定浓度的甲基橙溶液，然后放在微波反应器中，接回流装置，选择一定的功率和时间使之反应，定时移取少量溶液冷却至室温，离心分离出清液，测定清液的吸光度值，计算甲基橙溶液的去除率。甲基橙溶液的色度去除率计算公式：D=（1-A0/A）×100%；式中A0-处理前溶液吸光度，A-处理后溶液吸光度。

3 结果与讨论

3.1 三种不同工艺下甲基橙脱色的对比研究

100 mL浓度20mg/L甲基橙溶液，活性炭0.3g，微波功率30%档的条件下，分别采用单独微波，单独活性炭，微波协同活性炭三种工艺处理甲基橙废水20min，结果显示脱色率分别为：单纯微波1.7%，单纯活性炭65.1%，微波协同活性炭92.4%。可见，单纯使用微波处理甲基橙废水几乎没有什么变化，单纯使用活性炭以及微波和活性炭协同处理甲基橙废水变化都较明显，其中使用微波和活性炭协同处理甲基橙废水的效果远远好于单纯使用活性炭处理的效果。这说明微波与活性炭联用，不是简单的叠加，而是起到了协同作用。在微波场中,活性炭能有效地吸收微波能量,使得活性炭表面产生许多“热点”,这些“热点”处的能量比其它部位高得多,温度可达到1000℃以上,当印染废水中的有机物被吸附到这些“热点”附近时,可能被催化氧化得以去除[5]。

3.2 甲基橙初始浓度对脱色率的影响

实验中取 5个浓度分别为 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%档，辐照时间20min，甲基橙脱色效果见图1。图1显示随着甲基橙浓度的增加，脱色率逐渐减小，5mg/L的甲基橙溶液脱色率可达到98%，20mg/L的脱色率为92%左右，25mg/L脱色率为80%左右，因为不同浓度的甲基橙溶液中所用的活性炭的量是相同的，甲基橙浓度越大，单位浓度所负载的活性炭的量就越少，降解率也就越小。实验中发现甲基橙浓度太大吸光度值不稳定，所以以下实验均采用20mg/L的甲基橙为处理对象。

图1 甲基橙初始浓度对脱色率的影响

3.3 活性炭用量对脱色率的影响

图2 活性炭用量对脱色率的影响

取100mL浓度20mg/L的甲基橙溶液，加入不同质量的活性炭，微波功率为30%档，微波辐照20min,测定甲基橙脱色率，结果见图2。由图2可见，随着活性炭用量的增加脱色率逐渐增大，当活性炭用量达到0.4g时脱色率基本稳定，达到最大值。首先，活性炭量增加，则其吸附水中染料分子的数量增强，脱色率会有所提高；其次，在微波场中活性炭量的增加，会形成更多的“热点”(活化中心)，有利于有机物的去除；但是当活性炭用量到达一定限度后其吸附量达到饱和，使得染料的脱色率趋于稳定值[6]。

3.4 微波辐照时间对脱色率的影响

取100mL浓度20mg/L的甲基橙溶液，加入0.4g活性炭，微波功率为30%档，微波辐照不同时间，测定甲基橙脱色率，结果见图3。由图3可见，微波辐照20min时的甲基橙降解水平已经达到了最高值96.5%。

3.5 微波功率对脱色率的影响

取100mL浓度20mg/L的甲基橙溶液，加入0.4g活性炭，调节不同的微波功率，分别为10%，30%，50%，80%，100%档，微波辐照时间为20min，测定甲基橙脱色率。当微波功率从0到30%档时脱色率增大，在30%档甲基橙脱色率最大，微波功率超过30%档后脱色率仅略有降低，基本不变。分析原因可能是微波功率较小时，随着功率的增加染料分子单位体积吸收的微波辐射能增多，活性炭表面产生的“热点”也多，使得染料的脱色率增大；但是当微波功率超过30%档后，脱色率基本不变，这是由于活性炭单位时间吸收微波能是有限的，多余的微波只能提高水溶液的温度，对染料分子的去除没有贡献[7]。

图3 微波辐照时间对脱色率影响

3.6 溶液pH值对脱色率的影响

图4 溶液pH值对脱色率的影响

取100mL浓度20mg/L的甲基橙溶液，调节溶液 pH 值分别为 2，4，6，8，10（甲基橙原液 pH 值为6），加入0.4g活性炭，微波功率为30%档，微波辐照时间20min，测定甲基橙脱色率，结果见图4。

由图4可见溶液pH对甲基橙脱色率影响很大，pH减小有利于脱色反应进行，pH增大到碱性范围脱色率有所减小，这是由于从甲基橙的结构上看，H+浓度增多有利其N—N双键的断裂[8]，使得脱色率增大。

3.7 甲基橙溶液紫外可见吸收光谱分析

取甲基橙原液和微波协同活性炭处理后的溶液做紫外可见吸收光谱，如图5所示。由图5可看出，甲基橙原液曲线在466nm和190nm处各有一个吸收峰，甲基橙是偶氮染料，466nm处的吸收峰是甲基橙的生色团N—N双键的吸收峰；在190nm左右的吸收峰是甲基橙分子结构中苯环的吸收峰[11]。处理后甲基橙溶液的吸收曲线在466nm没有吸收峰，溶液变为无色，这说明甲基橙的N—N在微波和活性炭的作用下发生化学键的断裂，生成无色小分子；190nm处的吸收峰在处理后更强，说明微波和活性炭的协同作用不能打开苯环的化学键，甲基橙分子并没有被完全降解。

图5 甲基橙溶液脱色前后吸收曲线对比图

4 实验结论

4.1 微波与活性炭联合处理染料废水具有协同效应，废水中的有机物能快速被催化氧化得以去除。

4.2 对于100mL、浓度20mg/L的甲基橙溶液，微波辐照处理时间20min，微波功率30%档，活性炭用量0.4g，脱色率可达96.5%。pH的降低有利于脱色反应的进行。

参考文献：

［1］杨书铭,黄长盾.纺织印染工业废水治理技术[M].北京,化学工业出版社,2002.

［2］于清跃.印染废水处理研究进展.[J].工业安全与环保,2010,38(8):41-43.

［3］孙维义,宋宝增.微波法水处理技术研究进展[J].环境科学与管理,2007,32(8):93-96.

［4］王金成,薛大明,全燮,等.微波辐射处理活性艳蓝KN-R染料溶液的研究[J].环境科学学报,2001,21(5):628-630.

［5］吴劼.微波活性炭处理活性艳蓝X-BR的研究[D].杭州:浙江工业大学,2009:38.

［6］王国媛,买文宁,肖珊.微波诱导活性炭催化处理酸性靛蓝废水[J].安徽农业科学,2012,4(6):3518－3520.

［7］吴金苗,彭宏,胡鹏.微波活性炭协同催化降解活性黑5废水的研究[J].广东化工,2013,40(262):41-43.

［8］邢其毅,裴伟伟,徐瑞秋,等.基础有机化学[M].高等教育出版社,北京,1980.