微波协同活性炭处理盐酸黄连素废水最佳降解条件的研究

刘 畅

(辽宁省大气污染防治管理中心，辽宁 沈阳 110000)



微波协同活性炭处理盐酸黄连素废水最佳降解条件的研究

刘 畅

(辽宁省大气污染防治管理中心，辽宁 沈阳 110000)

摘要：在微波辐射条件下，采用活性炭处理了含盐酸黄连素废水。结果表明：微波催化氧化工艺对盐酸黄连素的处理效果明显优于单纯活性炭吸附与单纯微波辐射工艺。通过正交实验得出微波处理的最佳条件：对于400 mg/L的盐酸黄连素模拟水样，活性炭用量0.7 g，微波功率700 W，微波时间5 min，此时的去除率为89.12%。

关键词：盐酸黄连素废水；微波；活性炭；催化氧化；正交实验

1引言

盐酸黄连素作为化学合成黄连素生产工艺过程中的成品冲洗废水的主要污染物，废水中的浓度在1 000 mg/L左右[1]，对微生物具有很强的毒性。目前，盐酸黄连素废水的处理技术主要是高级氧化技术[2，3]。微波技术作为一门新兴技术，近年来受到人们的广泛关注[4～6]。活性炭对于微波有很强的吸收能力，由于其表面的不均匀性，微波辐射可使其表面生成温度很高的“热点”，这些“热点”的温度和能量要比其它部位高得多，故常被用作诱导化学反应的催化剂[7]。因此，利用催化氧化技术处理含盐酸黄连素废水，降低废水中盐酸黄连素的浓度，实现含盐酸黄连素废水达标排放，对保护和改善水质、缓解水资源危机具有重大的意义。

2实验部分

2.1实验仪器与材料

活性炭(朝阳森源活性炭有限公司)：粒状活性炭(粒径2.00～5.00 mm≥90%，<2.00 mm≤5%)，颗粒状活性炭(粒径>800 μm≤2%，400～700 μm≥85%，<355 μm≤2%)，粉末状活性炭(粒径400～700 μm>87%，<355 μm≤2%)；UV3010紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)；D70D20CTL-D5微波炉(格兰仕微波炉电器有限公司)；Anke TGL-16G超速冷冻离心机(上海安亭科学仪器厂)；BS110S电子分析天平(北京赛多利斯)。

盐酸黄连素标准品：优级纯。盐酸黄连素标准溶液：用电子天平称取盐酸黄连素标准品400 mg，置于1L容量瓶中，加适量蒸馏水，在60 ℃水浴上加热溶解，放冷至室温，用蒸馏水定容至刻度，配制成400 mg/L的溶液，摇匀备用。

2.2实验方法

盐酸黄连素测定方法：将处理后的盐酸黄连素溶液，5 000 r/min离心分离15 min。取离心后的上清液于比色皿内，以蒸馏水为空白对照，采用UV 3010紫外-可见分光光度计于345 nm处测定。

取50 mL浓度为400 mg/L的盐酸黄连素溶液于100 mL锥形瓶中，加入适量活性炭，瓶口以保鲜膜覆盖，以减少水分及盐酸黄连素的挥发，然后置于微波炉中，在一定的功率下，经过一定时间的微波后取出，冷却至室温后过滤，测定盐酸黄连素含量，用此盐酸黄连素的去除率表征水样的降解效果。考察不同处理工艺对盐酸黄连素去除率的影响，包括单纯活性炭吸附、单纯微波辐射和微波协同活性炭催化氧化工艺对盐酸黄连素的处理效果。通过单因素和正交实验得出微波处理的最佳条件。以活性炭用量(g)、微波功率(w)、微波时间(min)为考察对象，按照L9(33) 三因素三水平设计正交试验，确定最佳降解条件。

3结果与讨论

3.1不同处理工艺对盐酸黄连素去除率的研究

比较单纯活性炭吸附、单纯微波辐射、微波协同活性炭催化氧化3种处理工艺对盐酸黄连素去除率的影响。实验采用颗粒状活性炭0.5g，400mg/L盐酸黄连素溶液，微波辐射功率700W。

由图1可知，只有单纯活性炭吸附时，盐酸黄连素去除率在5 min时也只达到33.92%。单纯微波辐射时，对盐酸黄连素基本没有去除作用。当微波协同活性炭催化氧化时，盐酸黄连素的去除率在5 min时达到77.16%。分析其原因，主要是因为微波协同活性炭处理过程中，不仅存在活性炭吸附作用，也存在微波诱导催化氧化作用。

3.2不同条件下微波协同活性炭催化氧化技术对盐酸黄连素去除率的研究

3.2.1盐酸黄连素的初始浓度对其去除率的影响

考察不同初始浓度的盐酸黄连素溶液对盐酸黄连素去除率的影响。实验添加了0.5 g颗粒状活性炭，微波辐射功率700 W，微波辐射时间4 min。

由图2可知，在100～500 mg/L范围内，盐酸黄连素的去除率随盐酸黄连素初始浓度的增大而逐渐降低。在100 mg/L时，盐酸黄连素去除率最高，达到93.70%。在400～500 mg/L范围内，盐酸黄连素去除率相差不大，在5%之内，分别为63.89%和60.41%。这说明低浓度的盐酸黄连素较容易被去除。

3.2.2活性炭粒径对盐酸黄连素去除率的影响

考察不同粒径的活性炭对盐酸黄连素的去除率的影响。盐酸黄连素初始浓度400 mg/L，活性炭用量0.5 g，微波辐射功率700 W，辐射时间4 min。

由图3可以看出，其他实验条件相同时，活性炭粒径越小，盐酸黄连素的去除率越高。这主要有两方面的原因：①活性炭的粒径越小，比表面积越大，与盐酸黄连素接触的越多，从而吸附性能越好。②粒径较小的活性炭具有较多的活性金属点位，容易形成更多的“热点”。盐酸黄连素更容易与活性炭表面的热点结合，有利于微波诱导氧化反应的进行。

3.2.3活性炭用量对盐酸黄连素去除率的影响

实验测定了不同活性炭用量对盐酸黄连素的去除率。盐酸黄连素初始浓度400 mg/L，颗粒状活性炭，微波辐射功率700 W，辐射时间4 min。

图4表明，随着活性炭用量的增加，盐酸黄连素去除率逐步上升，当活性炭的用量增加至1.1 g时，盐酸黄连素的去除率达到99.48%。主要是因为：一方面，

活性炭充当吸附剂，把盐酸黄连素吸附于表面。另一方面，在微波的作用下，活性炭表面产生许多“热点”，促进盐酸黄连素的反应。当活性炭的用量增加时，与盐酸黄连素接触的有效活性炭越多，从而盐酸黄连素的去除率越高。

3.2.4微波辐射时间对盐酸黄连素去除率的影响

实验测定了微波辐射时间的不同对盐酸黄连素去除率的影响。盐酸黄连素初始浓度400 mg/L，颗粒状活性炭0.5 g，微波功率700 W。

从图5可以看出，随着微波辐射时间的增长，盐酸黄连素的去除率逐步提高。而在5～6 min时，反应又趋于平缓。可能是因为活性炭的吸附反应和催化反应，都是可逆反应，在这两种反应都达到平衡的时候，活性炭便不再起作用，或者作用现象甚微。

3.2.5微波输出功率对盐酸黄连素去除率的影响

实验测定了微波功率对盐酸黄连素去除率的影响。实验条件：盐酸黄连素初始浓度400 mg/L，颗粒状活性炭0.5 g，微波辐射时间4 min。

从图6可以看出，随着微波功率的增加，盐酸黄连素的去除率升高。主要是因为增加微波输出功率时，降解体系的温度上升较快，降解体系处于高温的时间长，且单位面积吸收微波的能量增加，活性炭表面能量分布较高的“热点”增多，从而增加分子的碰撞频率和分子化合键的断裂，有利于水样中的有机物降解，反应速度相对较快。

3.4正交实验及结果

本实验确定以活性炭用量(g)、微波输出功率(W)、微波辐射时间(min)为考察对象，进行三因子三水平正交实验，并确定最佳的降解条件(表1)。

表1　正交实验设计与结果

根据表2中各因子分析值的极差可以看出，各因素对盐酸黄连素去除率的影响大小为活性炭用量(g)>微波输出功率(W)>微波辐射时间(min)。这说明对于400 mg/L的盐酸黄连素模拟水样，采用颗粒状活性炭(粒径>800 μm≤2%，400～700 μm≥85%，<355 μm≤2% )时，微波协同活性炭催化氧化处理盐酸黄连素的最佳条件为：活性炭用量0.7 g，微波功率700 W，微波时间5 min，此时的去除率为89.12%。

4结语

(1)研究不同处理工艺对盐酸黄连素去除率的影响，结果表明微波协同活性炭催化氧化工艺处理盐酸黄连素废水效果明显优于单纯活性炭吸附与单纯微波辐射工艺。

(2)研究了盐酸黄连素的初始浓度、活性炭粒径、活性炭用量、微波输出功率、微波辐射时间对盐酸黄连素去除率的影响。实验确定了三因子三水平，通过正交实验发现各因素对盐酸黄连素去除率的影响大小为活性炭用量(g)>微波输出功率(W)>微波辐射时间(min)。对于400 mg/L的盐酸黄连素模拟水样，微波协同活性炭催化氧化处理盐酸黄连素的最佳条件为：活性炭(粒径>800 m的≤2%，400 μm～700 μm的≥85%，<355 μm的≤2% )用量0.7 g，微波功率700 W，微波时间5 min。最佳降解条件时，盐酸黄连素的去除率能达到89.12%。

参考文献：

[1] Ren M J，Zeng P，Song Y H，et al．Performance of pulse electro-coagulation on berberine hydrochloride wastewater[C]//IWA.The 2nd IWA Asia Pacific Regional YWP Conference. Beijing:IWA Publishing，2009:181～187．

[2]崔晓宇，曾萍，邱光磊，等．Fenton法处理黄连素废水试验[J]．环境科学研究，2012，25(8):916～921．

[3]肖宏康，肖书虎，张国芳，等．电化学氧化法处理模拟黄连素制药废水的研究[J]．环境工程学报，2011，5(5):987～991．

[4]Polaert I，Estel L，Ledoux A．Microwave-assistedremediation of phenol wastewater on activated charcoal[J]．Chemical Engineering Science，2005，60(22):6354～6359．

[5]Rudolph A A．Insitu remediation of soils contaminatedwith toxic metal ions using microwave energy[J]．Chemosphere，2003(53):1077～1085．

[6]Jones D A，Lelyveld T P，Mavrofidis S D．Microwaveheating applications in environmental engineering-a review[J]．Resources，conservation and recycling，2002(34):75～90．

[7]王鹏．环境微波化学技术[M]．北京:化学工业出版社，2003:19～36．

文章编号：1674-9944(2016)02-0073-03

中图分类号：X703

文献标识码：A

作者简介：刘畅(1983—)，女，辽宁人，满族，工程师，主要从事环境保护管理工作。

收稿日期：2015-10-20