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微波诱导活性炭催化氧化技术处理有机废水方法

  慧聪水工业网微波诱导催化氧化技术(MICOP)是将高强度短脉冲微波辐射聚焦到含有某些“敏化剂”的固体催化剂床表面上,通过表面点位与微波能的强烈相互作用,从而选择性地升高某些表面点位的温度,当反应物与其接触时就可能发生化学催化反应〔1,2〕。

  活性炭作为一种优良的吸附剂已在废水处理中得到广泛应用〔3〕,同时活性炭还是一种电阻型吸波材料,干燥后的活性炭在微波辐照下能快速吸波升温,20s时温度即可达到1000℃以上。活性炭的强吸波性使其可作为“敏化剂”,已广泛用于微波法治理环境污染物中〔4,5〕。微波诱导活性炭催化氧化技术已成为国内外处理高浓度难降解有机废水的研究热点之一。笔者对微波诱导活性炭催化氧化的机理进行了论述,并对该技术的处理效果、发展方向进行了分析,以期为工程应用提供理论引导。

  目前研究认为微波诱导活性炭催化氧化的反应机理为“热点效应”与“羟基自由基理论”。

  “热点效应”又称“过热效应”,即活性炭强烈吸取微波能,其某些表面点位很快达到高温,从而形成活性中心,当溶液中的有机物与这些点位接触时即可发生化学反应,最终降解为CO2和H2O,同时在催化剂-活性炭表面产生空位,重新吸附溶液中的有机分子,这一动态平衡的不断进行导致反应器中的有机物分子逐渐被降解。李雨等〔6〕研究发现当活性炭投加量达到一定比例时,微波场中的活性炭会出现“打火”现象。彭金辉等〔7〕研究认为微波加热活性炭时,活性炭并不是被整体加热,而是在表面处的某些点位产生“打火”,从而被迅速加热,即使活性炭温度达到950℃,也会发生类似现象。HuashanTai等〔8〕利用颗粒活性炭吸附水溶液中的苯酚,之后将活性炭放入功率为1000W的微波炉中辐照,150~180s后苯酚完全降解成H2O和CO2。实验结果表明,在微波场中活性炭表面“热点”处的温度高达1200~1800℃,正是这些“热点”处理分解水中的有机物。

  微波催化氧化法的羟基自由基理论是近年来提出的。羟基自由基(·OH)氧化性极强,可诱发一系列自由基链反应,直接降解水中的各种污染物,最终将污染物降解为CO2、H2O和其他矿物盐。羟基自由基氧化效率高、氧化速度快,是许多高级氧化工艺如湿式氧化法、超临界水氧化法、光化学氧化法、电化学氧化法、声化学氧化法及相应催化氧化法的氧化主体。

  S.Horikoshi等〔9,10,11〕将微波技术与光催化降解技术结合处理难降解有机污染物,其研究认为微波辐照大大促进了·OH的形成,增加了TiO2的表面活性,从而提高对有机污染物的降解效率,实验还证明单独微波辐照不能产生·OH。路建美等〔12〕在研究单体均聚与共聚反应时发现微波辐照能增加反应中的自由基数量。其认为体系中的极性分子吸取微波能后,极性键高速旋转、振荡并发生断裂,从而产生更多自由基。张耀彬〔13〕发现单独采用微波加热时,水溶液中不产生羟基自由基,这是由于微波能不足以破坏或重组化学键〔14〕;当活性炭存在时,水中的活性炭在微波辐照下能达到局部(瞬间)高温,而此时水仍维持液相状态,类似于湿式空气氧化的条件,从而产生·OH。XieQuan等〔15〕研究发现微波、活性炭和氧源是微波诱导活性炭催化降解有机物时产生·OH的必不可少的3个条件。

  目前大多数微波诱导活性炭催化氧化研究都是在改造后的家用微波炉中进行的,常用的微波炉多为格兰仕、LG和夏普等品牌,如表1所示〔16,17,18,19,20,21,22,23,24〕。

  采用改造的家用微波炉进行研究虽已取得一定成果,但仍存在诸多不足:(1)家用微波炉的工作波为脉冲式的半波倍压整流制式,属于间歇式加热,而且微波炉内的有效功率受电网电压波动的影响较大;(2)家用微波炉的加热范围主要集中在炉腔底部的托盘上,对水样和催化剂的加热不均匀:(3)功率密度比较低,一些对场强要求较高的实验无法在家用微波炉内实现;(4)家用微波炉无法为中试设备的设计提供准确的数据,而且一些被家用微波炉所否定的实验,有可能在专用微波反应器内获得成功。

  专用微波反应器一般采用微波功率自动变频控制和非脉冲连续微波加热技术,可自动调整和控制反应过程,达到准确的温度和反应过程控制效果,微波作用时间更长,产率更高。有些反应器同时配备了电磁和机械两种搅拌方式,在反应过程中可进行冷凝回流、滴液及分水等操作。专用微波反应器可为工程应用装置或设备的设计制造提供可靠参数,对设备放大和实际工程应用有很强的引导意义。微波诱导活性炭催化氧化废水的研究中主要使用NJL07-3型、MAS-1型和MCL-3型微波反应器,见表2〔25,26,27,28,29,30,31,32〕。一体化废水处理设备

  目前微波

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