微波协同活性炭催化降解甲基橙废水的研究

  研究背景

  1.1微波的性质

  一般来说,微波就是指频率在300到30万兆赫兹的电磁波。微波的特点是它不仅具有电场的特性,同时还有磁场的特点,一般微波传播能量都是借助于辐射的形式来完成的[1]。

  1.2微波的加热方式

  微波加热与常规的加热方式有所不用,是由于进入物体内部的能量被物质吸收而变成热能使物质的温度升高,是一种独特的受热方式,而且加热面都是对于整个物体而言的,因此它就具有较小的温度梯度,并且加热效果比较均匀。而对于液体来讲,由于微波仅仅会对其中的极性分子产生一定的作用,这些极性分子在微波电磁场的作用之下发生高速的运动,进而碰撞旋转产生热效应,此外还有由于受到热力学函数而发生相关的改变,因此反应的活化能和分子化学键的强度就会降低[2]。许多磁性的物质,比如像活性炭和过渡金属等这些物质,能够对微波起到很强的吸收作用,因此在微波表面就能够产生许多热点,往往这些热点处的能量都要比其他的位置高很多,而且这个部位的化学反应也是最为强烈的。因此微波辐射常作为催化条件作用于污染物的降解。

      2.微波化学

  2.1微波化学的发展

  对于微波化学的研究,特别是针对于微波等离子体这一方面的研究而言,早在1950年代左右就开始相关研究。Broid等人借助于微波等离子体开创了一种微波等离子体原子发射光谱的新型研究领域。而到了1960年以后,微波等离子体被应用在各种新型材料上,而我们所熟知的应用最为广泛的例如纳米材料、超硬材料、高分子材料等,而且这些材料当前已经有绝大部分应用在工业生产当中。在1970年代左右,Hesek等人尝试在微波炉当中对样品进行干燥,之后又发明了微波消解处理生物样品的这样一种技术,而这种技术的成功打破了以往样品处理的瓶颈,并且随着化学分析技术的不断发展与完善,这种方法也逐渐作为标准被应用到化学分析领域当中。
  Gedye等[3]首先发表了关于苯氯甲烧和4-氯代苯基氧钢反应制备4-氯代苯基节基酷的微波合成论文。与常规的化学合成相比起来,微波化学具有较快的合成反应速度,之后Gedye等人又在尝试利用微波进行化合物的水解,以及化学成分的氧化、缩合、成环等各方面的反应上,并且都通过实验表明了这一方法的可实用性和优越性,这些微波化学研究的成功,是微波技术用于有机合成领域的开端,使其在之后的发展中有了良好的基础,发展速度加快。
  微波技术的利用对于提升化学反应的节能性和安全性以及环保性等诸多方面都有巨大的作用,因此国内外学者对于这方面也开展了大量的研究。目前,微波技术在各个新兴的领域当中已经得到广泛利用,例如陶瓷材料、复合纳米材料、发光材料等。另外在催化领域当中,微波的利用还能够有效的提升催化的速率,进而也被应用在甲烧分解以及一氧化氮的还原过程。而微波在溶解类型的化学分析领域当中以及提取化学这方面而言,也取得了较为广泛的认可,例如可以结合微波设备进行聚合物的产生,这样能够有利于超分子和高分子等类型的化学反应。因此可以看出,目前在化学领域当中,微波技术应用已经范围比较广,而且对于整个化学领域来说还会起到一定的颠覆作用。

  2.2微波化学反应作用机制

  微波电磁场在一个化学反应过程中能够破坏原有的热力学平衡,这样就能够使得原有反应体系当中的平衡点产生改变,进而就能增加反应的速率。另外通过其他的研究也发现了电磁场对于物质的化学性质而言也会造成一定的影响。
  从动力学角度来看,在微波场的作用之下,一个反应所需要的活化能就能降低,从而提升反应的速率。另外,微波场还会使得反应物电导性发生一定的变化,进而提升许多化学反应中的电子转移的方向性,这样就对于整个反应过程来说,也提高了反应的速度和转化率。

  2.3微波化学目前的问题和发展趋势

  目前世界各国关于微波化学的研究重点已经从传统的微波加热干燥、食品加工等方面向微波催化、微波材料加工处理、微波提取、与其他技术的联用发生转变。
  目前的微波技术面临着以下的几个问题。
  (1)微波技术的基础理论研究
  现在关于微波技术的实验研究是非常丰富的,但是将实验结果与电磁场理论相结合的研究缺不多。将关于微波技术的实验结果通过分析,得出电磁场的作用机理是现在所需要解决的问题。
  催化剂在化学反应当中能够加快反应的速度,主要原理是由于它可以降低反应过程当中的活化能,站在电磁场的角度来分析,微波电磁场并不能够起到催化剂的作用,它的原理是对反应进行强化,这样能够找到一种比催化剂效果更好的方法,同时也可以延长催化剂寿命。微波电磁场能够对物体的表面效应进行改善,而正是由于这种表面效应改善了之后才导致了微波电磁场能够起到催化剂的作用。
  (2)微波技术的创新与突破
  在现代化的微波技术当中,一般会使用连续性的波磁控管产生连续的波功率微波源,而这种波源功率较高并且生产成本也比较低,具有较高的可靠性。凭借着这些优点,能够克服以往实验当中功率稳定差和重复率等诸多问题,便于实验的开展和进行。
  科技的发展使多种新的微波技术出现,当前居于最前列的味浓技术是通过脉冲来对波磁进行空管,最终通过微波有序的停顿,使反应的体系达到热平衡,降低了热点因素的影响,取得了比较好的效果,并且也减少了微波过程中副产物的积累。
  (3)微波技术的产业化
  我国目前对微波技术的研究已经取得了一定的进展,但如何将这些实验室中的研究应用在工业上,实验微波技术的产业化,赶上世界发达国家的步伐依然没有得到有效的解决。从微波工程的方面看,我国的微波技术的反应仪器依然比较原始,反应的反应量也较小,许多实现产业化的技术难点和问题都还没有被解决

  3微波诱导氧化法

  3.1.1微波诱导氧化法原理

  物质吸收微波的能力和其理化性质有关。许多物质为非极性化合物,需要在体系中添加“敏化剂”吸收微波辐射,并且将微波辐射传递到物质中,使物质发生化学反应。微波诱导氧化法就是选用某些敏化剂作催化剂或者载体,微波与其发生作用,产生热点,这些热点与非极性的化合物发生反应。受到微波热效应的影响,反应速度可能会有一定的变化,而这种变化与微波诱导催化氧的反应是不一样的,简单依靠热效应加快反应速率,而后者的反应中包括微波热效应的加速。
  Tse等[4]发现,对于一些具有自由基中间体的反应,微波诱导催化的效果特别明显,比如烯烃催化氧化、甲烷加成、烃类氧化等反应。微波诱导反应具有以下的优点:其一,因为微波会在部分地方产生高温,反应物可以直接与催化剂表面的热点发生反应。其二,反应温度能够被控制,最终使得微波反应的催化剂脱附之时不会发生较大的副反应。

  3.3.2微波诱导氧化对污水处理效果影响

  有研究表明,在合适的反应条件下,反应的时间越长,从对废水的降解效果来看,微波诱导氧化的效果相对更好,孙琪娟等[5]的研究便是从该角度出发进行的,其利用微波诱导将染料废水用微滤等方式进行处理之后,所用的催化剂便是颗粒性的活性炭,在其功率达到600w时候,反应的效果十分理想,出水接近于无色。
  有实验表明[6],当微波功率在200W-700W时,条件适宜的情况下对印染废水的脱色率可以达到98%以上。随着微波的功率的升高,废水的降解率上升,因为微波功率越高,微波作用可能产生的热点数目也会增多,另外,随着热点数目的增多,其热点的温度相应也会发生变化,也会随之提升。反之亦然。因此反应的效果就比较差。当反应的功率为400W-700W时,脱色的效果较为明显。
  当催化剂的量不变时,如果增加初始的废水的浓度,由于反应的热点数目不会增加,所以相同时间反应的量也不会改变,在反应的初期的处理效果就会下降。但如果反应时间足够长,最终各种浓度的废水的处理结果均会达到预期的结果。

  4.染料废水的来源

  科技的发展也带来了印染工业的迅速发展,印染工业的急速发展会导致各种污水的产生,从而导致其中含有大量的有毒物质,使环境进一步受到损害。其中污染物的主要成分是印染的残余染料和助剂,并让印染废水具有一些特殊的颜色。大量的难以降解的有机污染物进入水体,对水体产生严重污染。
  本文选择甲基橙作为印染污水的实验模型。因甲基橙的分子结构在各种条件之下均具有极强的稳定性,所以被认为是难降解的有机染料。故选其作为印染污水代表模型。在某方面可以说,降解甲基橙的能力可以反应出对印染污水处理的能力。

  5.课题研究意义

  水是人类赖以生存的最重要的资源。水不仅是一切生物所必须的化合物,而且水环境为人类提供了生态的多样性和丰富的生物资源。随着人类的活动,水环境也逐渐被污染,而人类活动中对水环境污染最大的是工业生产。工业生产每天都要产生大量的废水、废渣,这些废水废渣没有合理进行处理便直接排入水中,在影响水质的同时更是造成了极大的环境污染。因此,对废水处理的研究具有重大意义,将直接影响到水质和生态安全。
  工业生产产生的废水对水环境造成了极大的污染,工业废水中的污染物以有机污染物为主。水环境中的有机污染物毒性大、难以分解,如硝基化合物、氯代有机物、多环芳烃类化合物、酚类化合物等。目前,染料污染物是水环境中相对比较难处理的有机污染物,其毒性大,色泽深,难降解,污染严重。同时,染料又是工业上被极广泛使用的工业物质,绝大多数工业废水中含有染料。因此,水环境中的有机污染物主要是指染料污染物。

  6.研究内容

  本论文主要研究微波降解甲基橙、活性炭催化降解甲基橙以及微波协同活性炭降解甲基橙这三种办法,,从实验结果分析得出微波协同活性炭降解甲基橙的优势。比较在不同的氧化剂浓度、ph等环境下的不同情况。

  1、微波与活性炭对甲基橙降解率的影响

  (1)微波作用对甲基橙降解率的影响
  (2)活性炭对甲基橙降解率的影响
  (3)微波协同活性炭对甲基橙降解率的影响

  2、单因素对甲基橙降解率的影响

  (1)氧化剂浓度对微波协同活性炭降解甲基橙的影响
  (2)体系的ph对微波协同活性炭降解甲基橙的影响
  (3)微波时间对微波协同活性炭降解甲基橙的影响
  (4)微波功率对微波协同活性炭降解甲基橙的影响
  (5)甲基橙初始浓度对微波协同活性炭降解甲基橙的影响
  (6)活性炭用量对微波协同活性炭降解甲基橙的影响

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