工業(yè)純水設(shè)備分析：微波誘導(dǎo)活性炭催化氧化技術(shù)處理有機(jī)廢水方法
【蘭州純水設(shè)備http://m.smarts-edu.cn】微波誘導(dǎo)催化氧化技術(shù)(MICOP)是一種高強(qiáng)度短脈沖微波輻射對(duì)包含一些敏化劑表面的固體催化劑床,通過表面能級(jí)和強(qiáng)相互作用的微波能量,微波能轉(zhuǎn)化為熱能,從而有選擇地高溫表面的點(diǎn),當(dāng)反應(yīng)物接觸化學(xué)催化反應(yīng)時(shí)可能發(fā)生[1,2]。純水設(shè)備
活性炭作為一種優(yōu)良的吸附劑已廣泛應(yīng)用于廢水處理[3],以及活性炭是一種電阻式吸收材料,活性炭微波輻照下可以快速吸收加熱,干燥后的20多歲的溫度可以達(dá)到1000℃以上?；钚蕴烤哂休^強(qiáng)的吸附能力，已廣泛應(yīng)用于微波處理環(huán)境污染物[4,5]。微波催化氧化活性炭已成為處理難降解有機(jī)廢水的熱點(diǎn)之一。探討了微波催化氧化活性炭的機(jī)理，分析了微波催化氧化技術(shù)的處理效果和發(fā)展方向，為工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
微波誘導(dǎo)活性炭的催化氧化機(jī)理工業(yè)純水設(shè)備
摘要微波催化氧化活性炭的機(jī)理被稱為“熱點(diǎn)效應(yīng)”和“羥基自由基理論”。
1.1熱點(diǎn)效應(yīng)
“熱效應(yīng)”也被稱為“熱效應(yīng)”,它強(qiáng)烈活性炭吸收微波能量,迅速在高溫,表面形成活性中心,當(dāng)有機(jī)物的解決方案可以反應(yīng)在接觸這些點(diǎn),最后退化二氧化碳和水,同時(shí)催化劑-活性炭表面吸附有機(jī)分子的空間解決方案,反應(yīng)器中有機(jī)分子的動(dòng)態(tài)平衡的研究。Li yu等人[6]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活性炭數(shù)量增加到一定比例時(shí)，微波場(chǎng)中的活性炭會(huì)出現(xiàn)“火”。金匯彭等。[7],研究微波加熱活性炭,活性炭不加熱作為一個(gè)整體,但在表面的“輕”,以便快速加熱,溫度達(dá)到950℃,活性炭也有類似的現(xiàn)象發(fā)生。華山臺(tái)等[8]利用顆?；钚蕴课剿芤褐械谋椒?，將活性炭放入1000W微波爐中進(jìn)行輻照。在150~180年代，苯酚完全降解為H2O和CO2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,活性炭表面“熱點(diǎn)”的微波場(chǎng)在溫度1200 ~ 1800℃,正是這些“熱點(diǎn)”過程分解水中的有機(jī)物質(zhì)。
1.2羥基自由基理論
近年來提出了微波催化氧化中羥基自由基的理論。羥基自由基(?OH)具有高度的氧化性，可引起一系列自由基鏈反應(yīng)，直接降解水中的各種污染物，最終將污染物降解為CO2、H2O和其他無機(jī)鹽。羥基自由基氧化具有高效、快速的氧化速度。它是濕氧化、超臨界水氧化、光化學(xué)氧化、電化學(xué)氧化、聲化學(xué)氧化及相應(yīng)的催化氧化等許多高級(jí)氧化過程的主體。
S.h. orikoshi等[9,10,11]將微波技術(shù)與光催化降解技術(shù)相結(jié)合處理難降解有機(jī)污染物。他們的研究表明，微波輻照極大地促進(jìn)了?OH的形成，增加了TiO2的表面活性，從而提高了有機(jī)污染物的降解效率。Lu jianmei等人[12]發(fā)現(xiàn)，在研究單體均聚和共聚時(shí)，微波輻照可以增加反應(yīng)中自由基的數(shù)量。系統(tǒng)中的極性分子吸收微波能量工業(yè)純水設(shè)備，極性鍵自旋、振蕩、斷裂，從而產(chǎn)生更多的自由基。張耀斌[13]發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用微波加熱不會(huì)產(chǎn)生羥基自由基，因?yàn)槲⒉芰坎蛔阋云茐幕蛑亟M[14]鍵;當(dāng)活性炭存在時(shí)，水中活性炭在微波照射下可達(dá)到局部(瞬時(shí))高溫，而此時(shí)水仍保持液相狀態(tài)，類似于濕空氣氧化狀態(tài)，從而產(chǎn)生?OH。XieQuan等人[15]發(fā)現(xiàn)，微波催化活性炭降解有機(jī)物時(shí)，微波、活性炭和氧源是產(chǎn)生?OH的三個(gè)必要條件。純水設(shè)備
微波反應(yīng)堆類型
2.1家用微波爐
目前大多數(shù)微波誘導(dǎo)活性炭的催化氧化是在改良的家用微波爐中進(jìn)行的，微波爐適用于格蘭仕、LG和夏普等品牌，如表1(16、17、18、19、20、21、22、23、24)。
雖然取得了一些成就的研究修改國(guó)內(nèi)微波爐,仍有許多不足:(1)國(guó)內(nèi)微波爐的工作波過程半波整流式雙重壓力,屬于間歇加熱,和微波爐的有效功率大大受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響;(2)家用微波爐加熱范圍主要集中在爐腔底部的托盤上，水樣和催化劑加熱不均勻。(4)國(guó)內(nèi)微波爐無法為中試設(shè)備的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)微波爐拒絕的一些實(shí)驗(yàn)很可能在專用微波反應(yīng)器中成功。
2.2專用微波反應(yīng)器
專用微波反應(yīng)器一般采用微波功率自動(dòng)變頻控制和非脈沖連續(xù)微波加熱技術(shù)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制反應(yīng)過程，達(dá)到精確的溫度和反應(yīng)過程控制效果。微波輻照時(shí)間較長(zhǎng)，收率較高。有些反應(yīng)器既有電磁攪拌方式，又有機(jī)械攪拌方式，在反應(yīng)過程中可用于冷凝、回流、滴水和水分離。這種特殊的微波反應(yīng)器可以為工程應(yīng)用單元或設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提供可靠的參數(shù)，對(duì)設(shè)備放大和實(shí)際工程應(yīng)用具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。Njl07-3、mas-1、McLl-3微波反應(yīng)器主要用于微波誘導(dǎo)活性炭催化氧化廢水的研究，如表2(25,26,27,28,29,30,31,32)所示。
3治療純水設(shè)備
目前，催化氧化研究和活性炭處理所產(chǎn)生的微波主要采用批量處理。也就是說，根據(jù)處理效果和優(yōu)化操作參數(shù)，在一定體積的模擬水樣或?qū)嶋H廢水中加入適量活性炭，輻射微波功率一段時(shí)間。由于微波能能在短時(shí)間內(nèi)將水加熱至沸騰，水的損失會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，目前主要采用添加冷凝裝置[17]和處理后加水的方法。工業(yè)純水設(shè)備活性炭處理完全淹沒在水里,因?yàn)樗盏奈⒉ㄓ泻軓?qiáng)的影響,導(dǎo)致大部分的微波吸收水,可能降低活性炭的催化作用,但很多有機(jī)廢水的研究結(jié)果表明,該方法具有良好的治療效果(24)19日,22日,其動(dòng)力學(xué)研究和關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。
連續(xù)處理是將活性炭固定床安裝在微波反應(yīng)室中的一種動(dòng)態(tài)處理方法。用恒流泵將處理后的水泵入固定床，在微波輻射下進(jìn)行催化降解。對(duì)冷卻塔冷凝后的水進(jìn)行收集分析。張耀斌等用活性炭固定床微波催化處理酸性蒽醌綠色染料廢水。固液比為1:1時(shí)，酸性蒽醌綠色染料質(zhì)量濃度為200mg/L, HRT為10min，微波功率為250W，脫色率達(dá)87.5%。BuLongLi[5],如微波輔助催化氧化的作用下,活性炭固定床反應(yīng)器研究了硝基苯酚的處理效果的解決方案,消除活性炭吸附的影響,微波功率為500 w,流6.4 ml / min,氣流40到60毫升/分鐘的條件下兩種硝基酚溶液質(zhì)量濃度(218.6,1200 mg / L)> 90%,礦化率65%以上的去除率,生化溶液從0.284增加到0.607。微波誘導(dǎo)活性炭催化水處理技術(shù)的持續(xù)處理技術(shù)已經(jīng)推進(jìn)了其工程應(yīng)用過程，但關(guān)鍵參數(shù)的確定和成本優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。純水設(shè)備
4廢水處理情況
目前微波誘導(dǎo)活性炭催化氧化處理廢水的研究多集中于固定濃度下對(duì)微波功率、輻射時(shí)間和活性炭用量的考察和優(yōu)化。
大量研究結(jié)果表明，提高微波功率和活性炭投加量可有效提高對(duì)污染物的去除率，縮短輻射時(shí)間，其原因在于微波功率的提高可增加活性炭表面的“熱點(diǎn)”數(shù)量及吸收的能量，進(jìn)而提高去除率〔31〕。從表3可以看出微波誘導(dǎo)活性炭催化氧化技術(shù)在各類廢水處理中表現(xiàn)出良好的去除效果(去除率在77%~99.6%)〔17,19,22,25,30,31〕，但研究對(duì)象多為固定體積的水樣，處理量集中在50~100mL，相關(guān)研究較少涉及對(duì)不同體積水樣的處理能力和效果。此外，在活性炭投加量相對(duì)較大和200~900W微波輻射下易取得良好的去除效果，但若在此研究結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行放大試驗(yàn)和工程應(yīng)用，從運(yùn)行成本考慮是不經(jīng)濟(jì)的。
卜龍利〔33〕根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒原理，對(duì)微波誘導(dǎo)活性炭催化氧化技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)條件下處理高濃度廢水在經(jīng)濟(jì)上是可行的，但經(jīng)濟(jì)成本會(huì)因能量利用率過低而偏高。能量利用率偏低與微波裝置、負(fù)載阻抗和反應(yīng)器設(shè)計(jì)等因素有關(guān)，可改變微波頻率、采用單模微波諧振腔和改變反應(yīng)器形狀來提高微波腔內(nèi)能量的利用率。此外熱交換器的能量損失是導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本偏高的另一主要因素。純水設(shè)備
5技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
微波誘導(dǎo)活性炭催化氧化技術(shù)降解有機(jī)廢水已表現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，如降解率高、處理時(shí)間短、可在常壓下進(jìn)行等，但其實(shí)際工程應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究探索。目前的研究規(guī)模普遍偏小，反應(yīng)器多為改裝后的家用微波爐，且多為靜態(tài)研究工業(yè)純水設(shè)備，連續(xù)處理較少;大部分研究集中于模擬水樣的處理，實(shí)際廢水較少，且以染料廢水的處理研究居多;另外，微波誘導(dǎo)催化氧化的處理對(duì)象有一定針對(duì)性，應(yīng)以高濃度、難降解有機(jī)污染物為目標(biāo)，而目前的研究成果尚缺乏針對(duì)性和工程指導(dǎo)性。因此深入研究催化氧化機(jī)理，利用專用微波裝置揭示各運(yùn)行參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系，以工程化應(yīng)用為目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)推動(dòng)微波誘導(dǎo)活性炭催化氧化降解有機(jī)廢水技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要意義。更多環(huán)保純水處理設(shè)備資訊請(qǐng)關(guān)注皙全蘭州水處理設(shè)備網(wǎng)。
