水处理用活性炭的微波改性与再生

发布时间：2020-04-17 04:54

【摘要】： 氯酚类有机化合物种类繁多，是一类典型的水体“三致”污染物，其降解及消除一直受到广泛的关注，采用吸附方法去除氯酚也一直是人们的研究热点。活性炭具有高度发达的孔隙结构和极大的比表面积，对分子具有极强的吸附能力，是目前最常用的吸附材料之一。为了适应不同的吸附要求，需要对活性炭进行不同性质的改性处理，以调整活性炭的孔隙结构和表面化学性能，活性炭的微波改性就是一种近年来比较流行的改性方式，同时，由于微波加热具有加热速度快、选择性强、可直接作用到样品上等特点，国内外学者已将微波加热技术应用于活性炭再生工艺并就此展开了大量研究。本文主要对微波技术在氯酚水处理活性炭的改性和再生中的应用进行了深入研究，考察微波改性和再生对活性炭吸附性能的影响，并与其它改性方式与再生方法进行了比较，借助N_2等温吸附、元素分析、XPS、XRD、FTIR、SEM、Boehm滴定等手段研究了活性炭改性与再生前后表面结构与化学变化规律，同时通过2，4-DCP等温吸附实验，考察了活性炭改性与再生前后对2，4-DCP的吸附性能，并结合表征分析，探讨了活性炭微波辐照改性与再生对2，4-DCP吸附的影响机理；本文最后还考察了炭载金属对2，4-DCP分解的影响。结果表明： 1、微波改性后活性炭对2，4-DCP的吸附性能增强，最大饱和吸附量增幅在12．5％左右；2，，4-DCP在改性前后活性炭上的吸附模式发生了变化，由原先的Langmuir吸附转变为Freundlich吸附。活性炭微波处理后比表面积变化不大，孔容略有缩小，孔径分布变化不大，只是向小孔方向发生稍微的移动；改性后活性炭表面氧含量大幅减少，石墨化程度提高，C=O含量增多，碱性以及疏水性能增强。 2、渗氮改性后活性炭对2，4-DCP的吸附能力增强明显，增幅可达22．70％，而氧化处理的活性炭则吸附性能减弱，其中浓硝酸改性活性炭吸附性能最弱；活性炭渗氮改性后比表面积与孔容均变大，而H_2O_2改性活性炭则变化不大，但在孔隙结构方面得到了部分改善，主要是由于H_2O_2的氧化腐蚀打通了封闭的细小微空，积累孔容也略有增加；HNO_3处理活性炭总孔容与比表面积均大幅下降，因为高浓度硝酸的强氧化作用使得活性炭的微孔结构坍塌；活性炭经氧化处理后，样品中氧元素含量迅速升高，表面酸性增强，COOH含量大幅提高，π-π~*作用显著增强，而渗氮处理则与之作用相反。 3、用间歇实验方法对渗氮和微波改性活性炭测得的吸附平衡数据和吸附动力学数据分别用Freundlich方程和拟二级动力学方程进行拟合，相关度较高；通过对热力学参数的计算可知这两种改性活性炭对水中2，4-DCP的吸附是放热的自发进行的过程，尽管活性炭渗氮和微波改性后其表面化学性质的变化有利于2，4-DCP在其上的化学吸附，但整个吸附过程仍是由物理吸附主导。 4、经过一次微波再生后的活性炭对2，4-DCP的吸附能力较原始活性炭有一定的提高，而再生3次和6次的活性炭对2，4-DCP吸附性能则明显降低，这种吸附性能的变化与再生活性炭孔隙的变化有关，同时也受到活性炭表面化学性质的影响；随微波功率与微波辐照时间的增加，吸附于活性炭表面的2，4-DCP的去除率增加；2，4-DCP在再生过程中一部分发生脱附，绝大部分通过热解方式去除，热解过程中形成的积炭容易堵塞活性炭孔隙结构，造成活性炭孔容、比表面积下降，影响其对2，4-DCP的再吸附能力。 5、微波再生技术具有与常规加热方式再生更优越的性能，不仅再生耗时少，而且可以保持活性炭原有孔隙结构。经过多次微波再生后，活性炭对2，4-DCP的吸附容量仍保持在相当高的水平；而电加热再生容易造成活性炭孔隙坍塌，一方面使活性炭孔隙结构不利于2，4-DCP的吸附，另一方面也造成了活性炭再生过程中炭损耗量的增加。 6、炭载铁催化剂对2，4-DCP的微波降解具有更高的反应活性。负载金属均以单质与氧化物共存的形式均匀附着在活性炭载体表面，其中铁的氧化物及铁在高温下与表面碳原子形成的羰基铁等都是可以强烈吸收微波的物质，在微波场中升温迅速，利于2，4-DCP的降解；而铜的存在对微波具有反射作用，不利于2，4-DCP的微波降解。
【图文】：

偶极子,驰豫时间,绝缘体,微波

间的电场也会以与交流电同样的频率交替改变，而其间的偶极子也相应快速旋转，由于分子的热运动和相邻分子的相互作用，使偶极子的转动受到干扰和阻碍，产生了类似摩擦的作用，以热的形式表现出来，具体机理[8lJ可参见图2一4。偶极子加热的效率与介质的驰豫时间、温度和粘度有关，而温度和介质离子的迁移率、浓度及介质的驰豫时间决定两种能量转换机理对加热的贡献。酣酣酣酣令令令耐耐散散散散散散散俄波执极吸引约书}分姿‘的.仁级滋波l主;服吸，矛}于移科分子的仇吸亨拟牛.热图2一4微波偶极子转动加热原理值得一提的是，并非所有材料均能被微波加热，根据材料对微波的吸收特性，可将材料分为3类(如图2一5所示):导体、绝缘体、吸收体[82]。导体一般如铜、银、铝等金属等，能够反射微波，因此常用铝制或铜制的金属管来作为微波装置中的波导管;绝缘体如图所示那样可以透过微波，就象光线可以透过玻璃一样，常见

微波功率,活性炭床,微波场,活性炭

在这种操作条件下，活性炭上2，4一DcP的萃取率基本可重复稳定在53.1%左右，实验中即以此数值参与计算活性炭上2，4一DCP的总量。基准实验条件为:活性炭装载量为5g，辐照时间3min，图5一9所示为微波功率对2，4一DcP去除率影响的条件实验，由图可以看出，当微波功率在70ow时，无2，4一Dcp检出，也就是说，所有的2，4一DCP都通过各种途径被去除
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X52

【引证文献】