屈廣周 李 杰,2＊＊ 魯 娜,2 吳 彥,2

(1 大連理工大學靜電與特種電源研究所,大連,116024;2 大連理工大學環(huán)境與生命學院,大連,116024)

活性炭吸附-介質(zhì)阻擋放電等離子體處理五氯酚＊

屈廣周1李 杰1,2＊＊魯 娜1,2吳 彥1,2

(1 大連理工大學靜電與特種電源研究所,大連,116024;2 大連理工大學環(huán)境與生命學院,大連,116024)

研究了介質(zhì)阻擋放電 (DBD)與活性炭(AC)吸附相結(jié)合用于高濃度五氯酚 (PCP)廢水的處理.含有高濃度的 PCP溶液被富集在AC上,通過DBD等離子體降解吸附在AC上的 PCP,并且實現(xiàn)AC的循環(huán)再利用.主要考察了DBD等離子體作用條件下 AC上 PCP的降解效果以及 3次循環(huán)處理后 AC吸附等溫線的變化.結(jié)果表明:隨著放電電壓和處理時間的增加,AC上 PCP的降解效率增加,較高的電源頻率有助于 PCP的降解,而且經(jīng)過 3次吸附 /處理循環(huán)后,AC仍然具有較高的吸附能力.

介質(zhì)阻擋放電,活性炭,五氯酚,降解.

近年來,介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體技術(shù)作為一種新發(fā)展的高級氧化技術(shù)因其處理效率高、操作簡便等優(yōu)點,引起了極大關(guān)注[1,2].它通過高壓放電產(chǎn)生氧化能力很強的活性粒子有效降解污染物.但是當污染物的濃度較低時,DBD產(chǎn)生的活性粒子與污染物作用的幾率降低,影響了污染物的降解效果.因此迫切需要將DBD等離子體技術(shù)與其它的污染物富集方法相結(jié)合以提高污染物的降解效果.

活性炭(AC)因其極強的吸附能力和富集效果在廢水處理中獲得了廣泛的應(yīng)用.但其成本高,且易吸附飽和,若不進行再生回收不僅不經(jīng)濟還會對環(huán)境造成污染[3].常用的再生方法如熱再生和化學再生法等,需要高溫且成本高或者產(chǎn)生二次污染[4,5].

本文提出將AC吸附和DBD等離子體相結(jié)合的新型“相轉(zhuǎn)移”廢水處理方法.首先將有機污染物通過 AC富集,然后通過DBD等離子體降解富集在 AC上的污染物,同時實現(xiàn) AC的循環(huán)再利用,降低了廢水處理的成本.本文以五氯酚(PCP)為模擬污染物,主要考察放電電壓、電源頻率以及處理時間對降解效果的影響.

1 實驗部分

1.1 樣品預(yù)處理

AC用 0.1 mol·l-1的氫氧化鈉溶液浸泡 24 h,然后在去離子水中煮沸 30 min,最后在 110℃的干燥箱中烘干以備后用.PCP用氫氧化鈉溶解配成 2000 mg·l-1的溶液,所需的其它濃度是通過其稀釋而得到.

模擬的廢 AC制備:取經(jīng)過預(yù)處理的 AC 10.0 g投加到 400 mL 2000 mg·l-1的 PCP溶液中,在150 r·min-1,25℃的水浴恒溫振蕩器中振蕩 4天,使其達到飽和,然后過濾得到模擬的廢 AC,其AC的吸附量為 79.6 mg·g-1.

1.2 實驗方法

實驗系統(tǒng)主要由交流高壓電源、反應(yīng)器和檢測系統(tǒng)組成.電源頻率為 50—1000 Hz可調(diào),電壓的調(diào)節(jié)范圍是 0—30 kV.DBD反應(yīng)器是圓柱形的,其低壓電極為金屬銅網(wǎng),放電介質(zhì)是石英玻璃片,圓形的金屬薄片高壓電極覆蓋在放電介質(zhì)上,兩電極之間的距離保持在 6 mm.示波器用于測試電源的波形.2 L·min-1的氧氣從反應(yīng)器底部進入反應(yīng)器,通過 AC放電區(qū)后被 10%的 KI溶液吸收.臭氧測試儀用于尾氣臭氧量的測定.

開始放電處理前,將含 2.0 g凈炭的廢 AC均勻的放在反應(yīng)器的低壓電極上,處理后將 AC取出進行萃取并計算處理效果.

殘留 PCP的萃取:將處理后的AC放入 250 ml的錐形瓶中,在錐形瓶中分別加入 30 ml丙酮和 30 ml正己烷,然后用 1 ml 37%的鹽酸酸化,在恒溫搖床中振搖 60 min,用超聲清洗器超聲 30 min,重復(fù)上述過程 6次,最后水浴烘干后用 0.1 mol·l-1的氫氧化鈉溶解,配成溶液以備檢測.

萃取以及吸附殘留液中 PCP的含量用液相色譜測定[6].

1.3 吸附等溫線測定

準確稱取一定量的 AC于 250 ml錐形瓶中,在錐形瓶中分別加入 100 ml不同濃度的 PCP溶液,控制水浴溫度為 25℃,以 150 r·min-1的轉(zhuǎn)速在恒溫搖床中振搖 4d,使吸附達到平衡.測定平衡時吸附質(zhì)的濃度 Ce(mg·l-1),并作吸附等溫線[7].吸附質(zhì)在吸附劑中的平衡吸附量 Qe(mg·g-1)通過下式計算:

式中,C0為溶液初始濃度 (mg·l-1),V為溶液體積 (l),W為 AC質(zhì)量 (g).

2 結(jié)果與討論

2.1 放電電壓和電源頻率對降解效果的影響

圖1顯示了當電源頻率分別為 50,100,200和 500Hz,放電時間為 60 min,AC的含水率為50.1%時,AC上 PCP的降解效率隨電壓的變化情況.從圖1中可以看出,隨著放電電壓的增加 AC上 PCP的降解效率增加,這是因為增加電壓可以提高反應(yīng)器的注入能量,增加了活性粒子的數(shù)量.在頻率為 500 Hz,放電電壓為 21.6 kV時,AC上 PCP的降解效率可以達到 70%.同時也發(fā)現(xiàn)當電源頻率從 50 Hz增加到 500 Hz時,PCP的降解效率也隨之增加.

圖2顯示了不同頻率下反應(yīng)器出口臭氧量隨電壓的變化情況,可以發(fā)現(xiàn),臭氧的變化情況與 PCP的降解效果基本是一致的,這說明臭氧在 PCP的降解中起到很重要的作用.

此外,許多研究已經(jīng)表明[8,9]:AC本身可以促使臭氧分解產(chǎn)生更強的活性物種,如·OH,H和一些穩(wěn)定的自由基 AC-O,AC-O3等,這些活性物種可以和 AC上 PCP作用,而且 AC自身的催化效果也是非常顯著的,也有利于 AC上 PCP的降解.

圖1 電壓和頻率對活性炭上 PCP降解效率的影響Fig.1 The effects of voltage and frequency on degradation efficiency of PCP on AC

圖2 不同電壓和頻率下臭氧量變化Fig.2 The changes of ozone amount under different voltage and frequency

2.2 處理時間對降解效果的影響

考察了不同頻率下處理時間的影響.選擇的處理時間為 15,60,120和 180 min.放電電壓為21.6 kV,AC含水率為 50.1%.圖3所示為不同頻率下AC上 PCP的降解效率隨處理時間的變化.從圖3可以看出,在DBD放電 15 min到 60 min這個時間段內(nèi),AC上的 PCP降解速度最快.比較 50 Hz和 200 Hz的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),200 Hz放電處理 60 min的降解效果明顯高于 50 Hz處理 180 min的效果.

2.3 DBD等離子體對 AC的再生

為了考察通過 DBD等離子體作用后,AC吸附能力的恢復(fù),比較了循環(huán)處理 3次后的 AC與原炭的吸附等溫線.如圖4所示,循環(huán)處理 3次 AC的吸附量低于原炭,這主要因為:一方面 AC上 PCP沒有完全被去除還有殘留,影響了AC的再吸附;另一方面經(jīng)過多次循環(huán)處理后,DBD可能對AC的表面結(jié)構(gòu)有破壞.但是 AC經(jīng)過 3次循環(huán)后仍然有較高的吸附能力.

研究表明普通熱再生AC的損耗是個突出問題,高溫再生時炭損可達 5%—8%,而這種方法再生時炭損卻很小(<1%).而且與化學再生方法相比,DBD等離子體再生很少產(chǎn)生二次污染,工藝簡單方便.因此,這種AC再生方法在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景.

圖3 處理時間對活性炭上 PCP降解效率的影響Fig.3 The effects of treatment t ime on degradation efficiency of PCP on activated carbon

圖4 原炭和經(jīng)過 3次再生后活性炭吸附等溫線Fig.4 The adsorption isotherms of virgin carbon and three times regeneration carbon

3 結(jié)論

實驗表明,DBD等離子體可以有效降解 AC上的 PCP.隨著電壓和處理時間的增加,AC上 PCP的降解效率增加,增加電源頻率對 PCP的降解是有利的.在 PCP被降解的同時,活性炭能夠被再生,而且經(jīng)過多次再生循環(huán)的AC仍然保持較高的吸附能力.

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ACTIVATED CARBON ADSORPTI ON/D IELECTRIC BARRIER D ISCHARGE PLAS MA FOR TREATMENT OF PENTACHLOROPHENOL

QU Guang-zhou1L I Jie1,2LU Na1,2WU Yan1,2
(1 Institute of Electrostatics and Special Power,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China;2 School of Environmental&Biological Science&Technology,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China)

An integrated activated carbon(AC)adsorption/dielectric barrier discharge(DBD)processwas applied to the treatment of high concentration pentachlorophenol(PCP)water sample.The PCP in water firstly adsorbed onto AC,and then the degradation of PCP and regeneration of exhausted AC were simultaneously carried out byDBD.The degradation effectsof PCP loaded onAC afterDBD plasma treatment and the changes of adsorption isother m of three times regenerated carbon for PCP were studied.The results indicated that increasing the discharge voltage and treatment time could improve the degradation efficiency of PCP on AC,high power frequencywasmore beneficial to degradation of PCP.Thiswork would supply a new method for the decomposition of no-biodegradable organic pollutants and the regeneration ofAC.

dielectric barrier discharge,activated carbon,pentachlorophenol,degradation.

2009年5月9日收稿.

＊國家 “863”計劃項目 (2008AA06Z308).

＊＊通訊聯(lián)系人,Tel:86-0411-84708576,E-mail:lijie@dlut.edu.cn