微波辅助活性炭催化硫酸根自由基处理苯酚废水

姜 　 南，　孙 德 栋，　潘 婕 妤，　周 　 鑫，　马 　 春

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连　116034 )

微波辅助活性炭催化硫酸根自由基处理苯酚废水

姜 南，孙 德 栋，潘 婕 妤，周 鑫，马 春

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连116034 )

摘要:利用微波及活性炭共同作用促进K2S2O8产生硫酸根自由基降解苯酚废水,通过改变反应时间、活性炭的投加量、K2S2O8的投加量、微波的消解功率以及pH，对比反应前后苯酚浓度及COD的变化，确定该体系反应的最佳条件。研究表明，在微波功率560 W、辐射5 min、活性炭的投加量0.17 g、m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5、pH=4时，200 mg/L体积为30 mL的苯酚去除率达到86%，COD去除率达到85%。

关键词:废水；硫酸根自由基；活性炭；微波

0引言

苯酚是工业废水中极为常见且来源广泛的有毒物质之一，在炼油、焦化等工业废水中均能检测出苯酚，人体即使摄入少量，也会出现头昏、瘙痒等中毒症状[1]。因此，研究废水中苯酚的去除具有非常重要的意义。现有的苯酚处理方法，如生化法、电化学降解法等都存在着耗时长、去除率较低等缺点[2-3]，所以近年来怎样提高含酚废水的处理效率一直是学者们研究的热点方向，随着研究的深入，一些高级氧化技术被应用到有机废水的深度处理中，如臭氧氧化法、Fenton法、光催化氧化法等[4-5]。

过硫酸盐氧化技术是基于硫酸根自由基的一种新型的水处理高级氧化技术，常被用于处理难降解的有机物或工业废水[6-7]。过硫酸盐单独地氧化有机物的去除效果并不明显[8]，但是可通过加热[9]、UV[10-11]等方式活化过硫酸盐产生具有强氧化性的硫酸根自由基，从而实现对难降解有机污染物的去除。

本文通过微波辐照活性炭催化过硫酸钾产生硫酸根自由基氧化苯酚废水，其中，微波具有高效加速吸热反应的作用[12]，活性炭能强烈吸收微波,诱导和催化化学反应，且活性炭具有很强的吸附性，微波诱导下,其吸附性提高。实验旨在研究微波/活性炭/过硫酸钾体系在处理苯酚过程中的影响因素，为高效、彻底处理苯酚废水提供一种可行的方法。

1实验

1.1仪器与试剂

仪器：紫外分光光度计,上海第三分析仪器厂；微波消解仪(汕头市环海工程总公司制造的美的微波炉)。

试剂：苯酚，过硫酸钾，重铬酸钾，硫酸亚铁氨，氯化铵，氨水，铁氰化钾，4-氨基安替比林，浓硫酸，氢氧化钠，硫酸银。

实验所用含酚废水为实验室自配模拟废水,废水含苯酚约200mg/L。

1.2实验方法

取200mg/L的苯酚水样30mL于消解罐中，迅速加入一定量的过硫酸钾溶液和一定量的活性炭混匀，同时做对照实验。对照实验包括只有苯酚体系、苯酚和活性炭体系、苯酚和过硫酸钾体系。分别放入微波炉中加热。用硫酸或氢氧化钠调节pH，在不同的反应条件下进行苯酚降解实验。取水样进行测定，通过苯酚去除率和COD的去除率来寻找最佳反应条件。

1.3测定方法

COD测定采用重铬酸钾法[13]，苯酚含量测定采用 4-氨基安替比林-分光光度法，pH采用FE20型pH计测量。

2结果与讨论

2.1微波反应时间对苯酚及COD去除率的影响

当m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5时，加入一定量的活性炭，调节微波功率800W，改变消解时间，测量不同消解时间对苯酚及COD去除率的影响，实验结果如图1、图2所示。苯酚-活性炭-过硫酸钾体系中，苯酚和COD的去除率随着微波消解时间的增加有所提高。反应时间在1～6min时，苯酚的去除率从22%增到56%，COD的去除率由20%上升到40%。苯酚-过硫酸钾体系中，随着时间的增长，苯酚的去除率达到51%，COD的去除率达到35%，这是过硫酸钾自身的氧化性及加热活化过硫酸钾产生硫酸根自由基所致。苯酚-活性炭体系中，随着时间的增长，苯酚和COD的去除率分别达到37%和30%，这主要是活性炭的吸附作用。随着时间的增长苯酚挥发也在增加，本实验将微波消解时间确定为5min。

图1　微波时间对苯酚去除率的影响

图2　微波时间对COD去除率的影响

2.2活性炭投加量对苯酚及COD去除率的影响

当m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5时，在微波功率800W下消解5min，改变活性炭的投加量，测定苯酚及COD的浓度，实验结果如图3所示。苯酚-活性炭-过硫酸钾体系苯酚及COD的去除率随着活性炭投加量的增加有大幅度的提升，这是因为活性炭是吸波物质，在微波的辐射下表面产生许多“热点”，能量较高的“热点”，可活化过硫酸盐产生更多的硫酸根自由基，从而加速催化反应的进行[14]。活性炭投加量在0.01～0.09g，苯酚和COD的去除率都有很大的提高。投加量在0.09g时，苯酚和COD的去除率增幅趋缓。活性炭投加量为0.17g时，苯酚和COD的去除率都达到85%以上。因此，本实验将活性炭的投加量定为0.17g。

图3　活性炭投加量对COD和苯酚去除率的影响

2.3过硫酸钾投加量对苯酚及COD去除率的影响

改变过硫酸钾投加量，加入0.17g活性炭，在微波功率800W下消解5min，实验结果如图4所示。在苯酚-活性炭-过硫酸钾体系中，苯酚及COD的去除率随着过硫酸钾投加量的增加有大幅度的提升。这是因为随着过硫酸钾投加量的增加，体系中产生的硫酸根自由基的量随之增加，氧化效果也随之增强。当过硫酸钾与苯酚的质量比在0.1～0.5时，苯酚的去除率从60%增到86%，COD的去除率由55%上升到80%；当投加比大于0.5后，苯酚的去除率增加并不明显。因此，本实验将过硫酸钾和苯酚的质量比定为0.5。

图4　　　　K2S2O8投加量对苯酚和COD的去除率的

2.4pH对苯酚及COD去除率的影响

在m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5时，加入0.17g活性炭，在微波功率800W下加热5min，调节pH为2、4、6、8、10、12，待反应完毕后冷却至室温，进行苯酚及COD的测定，实验结果如图5所示。pH对苯酚及COD的去除率有很大影响，随着pH的增大，去除率在减小，当pH>10时，苯酚和COD的去除率已经下降到50%以下，表明在酸性条件下，更有利于过硫酸钾活化产生硫酸根自由基。

图5　pH对COD和苯酚的去除率的影响

2.5微波消解功率对苯酚及COD去除率的影响

在m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5时，加入0.17g活性炭，在微波消解仪中加热5min，调节微波消解功率为80、240、400、560、800W，待反应完毕后冷却至室温，进行苯酚及COD的测定，实验结果如图6、图7所示。在微波功率80～560W时，苯酚-活性炭-过硫酸钾体系中苯酚和COD的去除率随着微波功率的增大有大幅度的提升，苯酚和COD的去除率分别达到85%和82%。在微波功率大于560W后，苯酚和COD的去除率变化并不明显。而其他3个体系的去除率随着功率的增加也都有所提高，说明微波消解功率对苯酚及COD的去除有明显影响。微波功率为560W时，对照实验中苯酚的挥发量明显减少，苯酚-活性炭-过硫酸钾体系中苯酚及COD的去除率依然维持在80%以上。因此从节约能源和防止苯酚挥发的角度考虑，选取消解功率为560W较为合理。

图6　微波功率对苯酚的降解率的影响

图7　微波功率对COD的降解率的影响

3结论

(1)以过硫酸钾为氧化剂、活性炭为催化剂，通过微波加热实现了苯酚的高效降解，方法简单，所需设备少，运行时间短，为去除难降解有机物提供了一种高效可行的方法。

(2)在微波加热的条件下，考察了微波消解时间、AC投加量、K2S2O8投加量、pH、微波消解功率对处理效果的影响，得出优化条件：当m(K2S2O8)/m(苯酚)=0.5、pH=4、活性炭投加量为0.17g时，在微波功率560W下，加热时间为5min时，可得到较高的苯酚和COD的去除率，分别达到85%和82%。

(3)活性炭投加量对苯酚的去除有很大影响：一是因为活性炭比表面积大，孔隙结构复杂，使得活性炭具有良好的吸附性能，能够吸附一部分苯酚；二是因为活性炭能强烈地吸收微波，在微波的辐射下活性炭表面产生许多能量较高的“热点”，促使过硫酸盐产生更多的硫酸根自由基，从而提高苯酚的降解率。在酸性条件下，更有利于过硫酸钾活化产生硫酸根自由基。

(4)微波-活性炭共同作用活化过硫酸盐产生硫酸根自由基，能更有效地降解苯酚，与活性炭或过硫酸钾单独作用的降解效果相比，两者共同作用时，苯酚的去除率增加了45%左右。

参考文献:

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[3] 赵丽丽,张惠欣.导流电解法处理含酚废水的研究[J].化工环保,2001,21(4):187-191.

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[14] 金钦汗.微波化学[M].北京:科学出版社,1999.

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.

作者简介:姜 南(1988-)，女，硕士研究生；通信作者：孙德栋(1970-)，男，副教授.

中图分类号:X703.1

文献标志码:A

文章编号:1674-1404(2016)03-0203-04