微波辐照再生原理

微波辐照再生活性半焦工艺常娜;覃彦;赵代伟【摘要】以甲基橙为吸附质,针对吸附后的活性半焦,利用微波辐照对其进行再生.在不同微波功率和辐照时间下研究活性半焦的再生率和碳损耗率,利用扫描电子显微镜观察半焦的表面形貌,采用氮气吸附仪测定半焦的平均孔径和比表面积.结果表明,微波可以有效脱除活性半焦表面的甲基橙,由于反应器的特殊尺寸,未通气氛条件下活性半焦的再生率较通入氮气条件下活性半焦的再生率高.对于不同甲基橙吸附量的活性半焦,当微波辐照时间为30 s时,再生率可保持在98％～99％.过高的微波功率及过长的辐照时间均会增加半焦的碳损耗率,导致再生率增幅缓慢,甚至下降.孔径结构分析表明,微波辐照过程可以优化半焦的孔隙结构.【期刊名称】《煤炭转化》【年(卷),期】2019(042)003【总页数】7页(P27-33)【关键词】活性半焦;微波;再生;碳损耗;吸附【作者】常娜;覃彦;赵代伟【作者单位】西安建筑科技大学材料科学与工程学院,710055西安;西安建筑科技大学材料科学与工程学院,710055西安;西安建筑科技大学材料科学与工程学院,710055西安【正文语种】中文【中图分类】TQ520 引言半焦是煤低温热解的产物，主要成分是碳、灰分和挥发分，通过改性活化，可以获得适宜的孔隙结构和表面化学特性，从而对各类污染物具有良好的吸附性能[1-2]。

改性活化后的半焦可用于吸附处理气态汞，硫化氢，亚甲基蓝，焦化废水、油田含油废水、印染废水[3-7]等低质量浓度有机废水及大气中的有机污染物、硫化物等。

但污染后的活性半焦若不经处理而直接废弃，会造成水处理成本的大幅提高和二次污染等问题。

因此，将污染后的活性半焦通过一定的方法恢复其吸附性能，达到重复使用的目的，具有重要的经济意义和环保价值。

目前，对于活性半焦再生的研究主要是针对烟气脱硫脱硝领域中的半焦脱硫剂的再生，采用的方法包含热再生法、洗涤再生法和氨水再生法。

热再生法是对吸附有SO2的活性半焦加热，释放出SO2的方法。

饱和沸石微波再生机理研究微波是一种频率在300MHZ～300GHZ之间的高频电磁波，目前微波炉所用频率一般为2450MHZ．当受到微波辐射时，介质会与微波发生相互作用，介质中的极性分子或离子会随着微波能量场的变化进行高速的碰撞、摩擦，产生热量，且这种作用在介质材料内部、外部是同时的，所以加热是高效、瞬时的．对于NH4+等极性离子，微波辐射对吸附质的脱附一方面是微波直接作用于吸附质使其脱附，另外是微波加热吸附剂材料产生的高温所致。

3．1不同沸石样品红外光谱分析采用NiCOLETNEｘｕS670型红外光谱仪对原沸石、改性沸石、饱和沸石、再生后沸石样品进行红外测试，扫描范围为400～4000CM－1．结果如图8所示。

图8显示，不同沸石样品的光谱图基本相同，说明原沸石经一系列的改性、吸附、再生后并不会改变沸石的基本骨架结构．图中461～790CM－1的几个吸收峰分别为Si－O，O－Si（aL）－O，Si－O－Si（aL）的变形振动引起的；1052～1067CM－1为Si（aL）－O的非对称伸缩振动，对评估晶体结构中铝含量有重要意义；1636～1647CM－1，3428～3449CM－1的吸收峰均是由沸石骨架结构中晶格水引起的，分别为O－H的弯曲振动和O－H的非对称伸缩振动。

对比图9中不同沸石样品图谱发现，沸石经盐热改性并不会引入新的官能团和化学键，但经热改性后3428～3449CM－1处吸收峰强度明显减弱，是因沸石经高温焙烧失去晶格水引起的；而沸石吸附NH4+后会在1401CM－1与1470CM－1附近增加2个吸收峰，这与文献1435CM －1处NH4+吸收峰相近（也有文献指出1400CM－1与1460CM－1附近双峰为NH4+形变振动），均能说明沸石吸附了NH4+且与沸石骨架形成了化学键，沸石对NH4+的吸附主要为化学吸附作用。

再生后沸石谱带中的NH4+吸收峰完全消失，说明经再生后NH4+从沸石骨架中脱离下来，沸石的吸附性能也得以恢复。

微波辐照技术的工艺特性及其在水处理中的应用探究微波技术具有成本低、反应迅速等优势，因此国内外都对其展开了深入的研究。

目前微波辐照技术已逐渐应用到了土壤污染处理、聚合物合成、污水处理等多个领域。

文中将对微波辐照这一技术的工艺特性进行分析，然后重点探究它在污水处理中的应用。

标签：微波辐照技术；工艺特性；水处理随着社会的发展，人们对水污染问题的关注度越来越高，随着水处理工艺开发的深入，微波辐照技术得以在污水处理中应用。

实践证明微波处理具迅速、高效、小型化、分散化、无二次污染等优势，对这一技术的深入研究有重要的现实意义。

1 微波辐照技术的工艺特性微波辐照可以使分子储存大量的能量，通过熵或焓效应使分子的排列得到改变，进而使活化自由能得到降低，微波的作用主要体现在非热效应与热效应两个方面。

与传统的加热方法相比，微波辐照具有较大的优势，这是因为在辐照过程中电磁能量能够被辐射到物体的内部，这种情况下物体的内外可以在同一时间加热，从而保证物体受热的均匀性，提高热利用率。

在水处理中，微波辐照会引发生物、化学与物理三方面的效应，使流体的压力与温度能够有所提升，以促进穿透作用、吸收作用、凝聚作用、反射作用与穿透作用等理化反应的发生。

其优点在于省时高效、高矿化度、高去除率、氧化快、操作简便、无二次污染等。

2 微波辐照技术在水处理中的应用2.1 直接辐照法直接辐照法可以用于对含油废水、氨氮废水等污水的处理。

有研究对500毫升60%含水量的乳液进行辐照处理，九分钟后破乳率为90%，油层物质中的含水量降低到12.1%，可以说破乳效果较为显著。

这是因为在辐照下，乳液的温度逐渐上升，而粘度却呈现下降的趋势，因此分散介质可以快速从分散相中分离，同时在微波场中成高频率旋转的中极性分析会引发电中和，从而对乳液界面中的双电层造成破坏。

在对氨氮废水进行处理时需要考虑两个关键性的问题，一是酸碱度，二是微波作用的时间，这两个因素对去除率的大小有着重要的影响。

微波辐照对红枣品质的影响研究红枣是一种常见的中药材和营养食品，富含丰富的营养成分，被人们广泛应用于食品、药品、化妆品等领域。

然而，由于时间和环境的限制，红枣在储存和运输过程中往往会出现品质下降的问题。

微波辐照技术可以有效地改善红枣的品质，但其具体影响机制却鲜为人知。

本文将从理论和实验两个层面探讨微波辐照对红枣品质的影响研究。

一、微波辐照技术原理微波辐照是一种通过电磁波作用产生内部加热的技术。

在微波场中，被加热体内部分子运动加剧，产生热能。

由于微波具有较强的穿透能力和速度快的特点，因此可以快速将能量传输到物体内部，并进行局部加热。

此外，微波还具有灭菌、杀虫、脱水等作用，是一种非常常用的食品加工技术。

二、微波辐照对红枣品质的影响研究1. 理论研究早在20世纪60年代，国内外学者就开始了微波辐照对食品影响的研究。

多项研究表明，微波辐照对食品的化学、物理和营养品质均有一定影响。

在红枣的研究中，一些学者发现，微波辐照可以有效降低红枣的灰分含量和总酚含量，提高其还原糖含量和氨基酸含量。

这表明，微波辐照可以使红枣脱水、失去营养成分和活性氧化物质。

2. 实验研究实验室实验是微波辐照研究的基础，主要是对微波辐照与红枣品质的关系进行研究。

一些学者选择不同的微波辐照条件，如功率、时间等，并测试不同红枣样品质量指标。

这些指标包括还原糖含量、氨基酸含量、总酚含量、灰分含量、脂肪酸含量、挥发性芳香性物质含量等。

结果表明，微波辐照可以在一定程度上影响红枣的品质。

微波辐照时间和功率对红枣品质影响の优化还需进一步探究。

三、微波辐照对红枣品质的影响机制微波辐照是通过电磁波产生内部加热的技术，并且微波辐照不仅可以改变红枣的物理结构，还可以对其化学成分产生影响。

微波辐照可以降低红枣中的灰分含量和总酚含量，提高其还原糖含量和氨基酸含量。

此外，微波辐照也可以增加红枣的微生物质量，对红枣的微生物质量、组织结构、化学成分等产生影响，具体机制尚待深入研究。

传统的热传导加热新技术微波热再生技术
传统的热传导加热设备缺点
1、加热时出现明火、加热深度浅
2、加热后路面出现沥青烧焦
3、贴近料仓避壁沥青料易被烧焦
4、保温时间过长极易出现离析现象
传统的加热墙：通过燃烧煤气或燃油加热耐火砖、导热油或产生热风加热表层路面，利用温差由表层慢慢向下传导，加热过程中又担心表层沥青集热烧焦，因此只能通过类似“脉冲式”的妥协方案控制加热时间，简单点说就是加热一会停一会，如此加热方式必然导致热量大量散失、加热过程时间长、加热均匀性和深度无法保证、浪费能源等缺点。

微波加热的原理
微波:频率为2450MHz，其波长为12.24厘米，其穿透能力强，极性分子在足够的电磁场空间产生轮摆运动，分子之间产生摩擦，物体本身作为发热源，从而达到加热的目的
微波热再生技术优势
1、温度可控，不烧焦沥青
2、深度可控，满足不同病害
3、不受制于沥青种类
4、不受环境温度影响，实现全天候养护
5、加热快速、均匀，彻底解决弱接缝和弱接面问题
6、不依赖拌和楼，无需提前备热料，冷热料同步加热微波热再生推荐施工工艺
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微波辐照技术的研究及应用微波辐照技术是一种新型加工技术，它利用微波的独特性质，将物料中的水分分子振动、摩擦、发热，从而达到加热、干燥、杀菌、灭虫、脱水等目的。

该技术具有速度快、效率高、能耗低、环保等优点，在食品加工、医药制造、材料改性、环境治理等领域有广泛应用。

下面介绍微波辐照技术的研究和应用情况。

一、微波辐照技术的研究进展微波辐照技术主要包括微波加热、微波干燥、微波杀菌、微波灭虫、微波脱水、微波硫化、微波还原、微波萃取、微波合成等。

近年来，国内外学者对微波辐照技术的理论与应用进行了广泛研究。

在微波加热方面，研究者对微波功率、频率、加热时间、物料形态等因素进行了研究。

在微波干燥方面，研究者利用微波干燥制备了各种食品、药材等产品。

在微波杀菌方面，研究者针对食品、水产、医药等领域，开展了杀菌效果、机理、杀菌工艺及设备的研究。

在微波脱水方面，研究者运用微波技术对水果、蔬菜、海产品等进行了脱水研究，获得了一定的成果。

在微波硫化、微波还原方面，研究者尝试在微波场下进行蛋白质硫化和还原反应，建立了较完整的微波硫化、还原机理。

在微波合成中，研究者可以合成各种有机物、高分子材料、纳米材料等，建立了微波化学合成的原理与方法。

二、微波辐照技术的应用领域1. 食品加工微波辐照技术可以用于食品加工中的加热、干燥、杀菌等工艺。

微波加热使用微波能量将食品迅速加热，并通过微波减少传统加热方法中的热损失，从而达到节能的目的。

微波干燥是迅速将水分脱离食材，避免了普通干燥时由于细菌附着所产生的风险。

微波杀菌由于微波能量具有高度杀菌性，所以在保证食品营养和质量的前提下杀菌能力有效，不会对食品造成二次污染。

2. 医药制造微波辐照技术已经应用于医药领域中的制备、提取、加工等环节。

微波能量在药物结构上的独特作用，可以使药物自发地较低温度下水解、裂解，从而提高药物的溶解度和生物利用度。

微波辐照技术还可以用于微波萃取、微波合成等制造过程中，增加过程效率、改进反应条件、提高产品质量。

微波辐照合成技术及其应用随着科技的飞速发展，微波辐照合成技术逐渐走进人们的视野。

这种技术依靠微波能量的吸收和转化，可以快速合成出各种材料。

微波辐照合成技术具有反应速度快、能量利用率高、反应条件温和等优点，因此在各个领域得到广泛应用。

一、微波辐照合成技术的原理微波辐照合成技术是将微波辐射能量传递给反应体系，使其发生化学反应，并在此过程中形成所需物质。

微波辐射能量的传递依靠材料对微波的吸收，当微波能量传递到反应底物中时，底物分子会发生共振，从而形成较高的分子内能。

由于微波辐射能量可以较快地传递到反应体系中心，因此反应速率也相应增加。

二、微波辐照合成技术的应用1. 化学合成微波辐照合成技术可以用于快速制备各种有机化合物。

目前，许多有机合成实验室都普遍采用微波辐照合成技术。

在传统合成方法中，反应通常需要数小时或数天，而使用微波加热可在数分钟内完成反应。

因此，微波辐照合成技术大大提高了化学合成的效率。

2. 材料加工微波辐照合成技术还可以用于各种材料的加工，例如合成陶瓷、金属材料等。

微波加热可以快速而均匀地传递能量，从而使材料的加工速度更快，且加工过程中不易产生裂缝等缺陷。

3. 环保清洁微波辐射合成技术还可以用于环保领域。

传统的工业反应通常需要高温或强酸碱等剧烈条件，容易产生大量污染物。

而微波辐照合成技术仅需要较低的反应温度和较小的反应体积，因此对环境的影响更小。

三、微波辐照合成技术的发展趋势随着人们对环保、清洁、高效等要求的不断提高，微波辐照合成技术将越来越广泛地应用于各个领域。

另外，微波辐照合成技术还有许多待开发的领域，例如生物医药、食品加工等。

随着技术的不断进步，微波辐射合成技术的应用前景将越来越广阔。

本文介绍了微波辐照合成技术及其应用领域，可以看出该技术具有较高的反应速度，能量利用率高等优点。

目前，微波辐照合成技术已经在化学合成、材料加工和环保清洁等领域得到广泛应用。

应该指出的是，该技术的应用前景依旧十分广阔，有着许多未被开发的领域等待着更深入的研究。

第17卷 第1期2009年2月材 料 科 学 与 工 艺M ATER I A LS S CI ENCE &TEC HNOL OGYVo l 117N o 11Feb.,2009微波辐照再生颗粒活性炭(GAC)的研究张 威,王 鹏,赵姗姗,史书杰(哈尔滨工业大学市政环境工程学院绿色化学与技术研究中心,哈尔滨150090,E 2m a i:l z hang weixi ans heng @si na .co m)摘 要:研究了活性炭在微波场中的温升行为和脱水行为,并对该行为进行了定量描述.通过正交实验,探讨了活性炭的再生效果与微波辐照的功率、时间、活性炭吸附量等因素的关系.研究了微波辐照对活性炭表面酸碱官能团的影响,并对微波辐照再生活性炭前后孔隙结构进行了对比.结果表明,微波辐照几分钟内活性炭表面可达1000e .对再生后活性炭碘值影响最大的因素是辐照时间,从碘值来看400W,2m in 再生效果好.Boeh m 滴定说明微波作用可以增加J X-206型果壳炭表面的碱性基团,降低其表面酸性基团,使其PZ C 明显增大.与废弃活性炭相比,微波辐照后的活性炭比表面积、孔容积都增加了100%左右,且微波主要作用于直径小于5n m 的活性炭孔.关键词:活性炭;微波;再生中图分类号:TQ42411文献标识码:A 文章编号:1005-0299(2009)01-0031-05M i crowave irrad iation for regen era tion of granu lar activa ted carbon(GAC )Z HANG W e,i WANG Peng ,Z HAO Shan 2shan ,S H I Shu 2ji e(R esearch Center for Green Che m istry and Technology ,School ofMunic i pal and Enviro n m enta l Engi neering ,H arb i n Instit ute of Technol ogy ,H arbin 150090,Ch i na ,E 2m a i:l z hang weixi ansheng @si na .co m )Abstr act :The behaviors of heating 2up and dr ying of acti v ated car bon by m icro wave irradiation were studiedand described quantitatively .The relationsh i p bet w een regenerati o n efficiencies ofGAC and those f actors such asm icro wave power ,irrad i a ti o n ti m e and dose absor bed by GAC was derived and ana l y zed thr ough orthogona l tes.t The i n fluence ofM W treat m ent on the ac i d ic and basic groups ofGAC was stud ied ;the pore str uctures of exhaust GAC and M W treated GAC were co mpared .Resu lts sho w that the te mperature of GAC can reach 1000e byM W irrad i a ti o n i n a f e w m inutes .The ma i n factor aff ecti n g the iod i n e a mount is irradiati o n ti m e and the opti m al regeneration conditi o ns are 400W and 2m i n .The surface ac i d ic groups are re moved due to t h e ir deco mpositi o n ,and t h e basic characteristic beco mes pro m i n en.t Co mpared w ith exhaust GAC ,the spe 2cific area and pore volume both i n crease by 100%.Moreover ,M W mostly aff ects the pores w ith dia meter less t h an 5n m.The experi m ent sho ws tha t the m icro wave irrad iati o n m et h od is practi c al f or regeneration of activa 2ted car bon .K ey w ord s :activated car bon ;m icr owave irradiati o n ;regenerati o n 收稿日期:2007-04-17.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50678045);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20040213027).作者简介:张 威(1981-),男,硕士研究生;王 鹏(1957-),男,教授,博士生导师.活性炭是一种非极性吸附剂,外观为暗黑色,有粒状、粉状和纤维状3种.活性炭主要成分除含碳外,还含有少量的氧、氢、硫等元素,以及水分、灰分,广泛应用于食品工业、化学工业、环境保护等各个领域.但是经吸附或脱色后的废活性炭的高使用成本,废弃饱和活性炭造成资源浪费及二次污染等问题极大地限制了活性炭的应用范围.常见的活性炭再生[1]方法有,加热再生法、化学药品再生法、生物再生法、电化学再生等.这些方法各有利弊,有些方法仅限于实验研究阶段[2-4].微波是介于红外和无线电波之间的电磁波谱,其频率在0.3~300G H z(波长1m ~1mm ).用于加热技术的微波频率固定在2450M H z 或900MH z ,本研究用商业生产微波炉频率为2450MH z [5].微波的加热原理主要是离子传导机理和偶极子转动机理.微波环保技术是微波处理技术与环境资源回收利用技术的新兴交叉技术,是针对该领域中常规加热技术速度慢加热不均匀等问题,利用微波辐射处理的热效应和非热效应的快速均匀等优点来大幅度提高处理效率,同时大幅度降低能耗的研究,是一种节能增效的清洁技术研究[6].本文研究了微波辐照对G AC 表面酸碱官能团的影响和对废弃活性炭的再生,考察了其在微波场中的温升行为、脱水行为以及再生后对碘的吸附量.这是利用了活性炭极强的吸收微波的能力,从而实现对其吸附的有机物解吸、分解和炭化.1 实 验111 材料与设备唐山市建新活性炭有限公司生产的J X -206果壳炭,J A200型电子天平,荣事达三洋电器股份有限公司生产的微波炉,热电偶及数显调节仪,721分光光度计,AS AP2020M 全自动比表面积及孔隙度分析仪,KS 康式振荡器等.112 GAC 在微波场中的温升和干燥实验用715g 吸附饱和活性炭(含水率为53%左右),在不同微波辐照功率下,考察活性炭表面的升温情况[7].取3g 湿的活性炭在不同功率微波辐照下看质量随时间的变化.113 微波辐照再生GAC 正交实验在不同浓度的苯酚溶液中加入715g 活性炭,振荡至吸附平衡后滤出活性炭,分析吸附前后溶液的浓度,从而得到不同吸附量的炭(表1).表1 废炭样品的制备炭质量/g 苯酚溶液体积/mL吸附前浓度/(mg #L -1)吸附后浓度/(mg #L -1)吸附量(mg #g -1)715004050431217126183715008050431201005215171501601029099183811517150010010290855190125180以碘值为评价目标,研究微波功率、微波辐照时间、活性炭吸附量3个主要因素对再生效果的影响,进行三因素四水平的正交实验.实验发现,微波功率低,辐照时间短,碘值变化不明显;微波功率大,辐照时间长,活性炭烧损.综合考虑后,按表2所示的因素和水平,列出L 16(43)正交表进行微波辐照实验.表2 正交实验考察的水平和因素水平因素微波功率/W辐照时间/m i n 吸附量/(mg #g -1)1600126183240025215132004811514755125180碘值的测定:参照GB /T1249618-19995中华人民共和国国家标准木质活性炭试验方法碘吸附值的测定6.114 微波辐照对GAC 表面酸碱基团的影响用不同功率的微波对J X -206果壳炭辐照不同时间后,采用Boeh m 滴定法测定其表面官能团的变化,采用质量滴定法考察其零电点(PZC)的变化.115 微波辐照再生前后GAC 孔隙结构变化采用BET 法计算活性炭的比表面积,总孔容由相对压力为0199时的氮吸附量决定,采用t 图法表征微孔结构,BJ H 理论进行中孔分析.2 结果与讨论211 GAC 在微波场中的温升和干燥改变微波辐照活性炭的功率和时间,得到活性炭在微波场中的升温曲线和脱水曲线分别如图1、2所示.图1显示了GAC 在不同微波辐照功率下的升温行为,微波辐照功率越大,升温越快,辐照功率为100W 时,升温到1000e 大约需要13m i n ,而辐照功率为600W 时,升温到1000e 大约仅需要2m i n .从图1可以看出,活性炭的升温过程大致可分为两个阶段.活性炭从室温升至100e 的耗时比较长,这是因为该阶段正是水分挥发阶段.活性炭表面温度会稳定100e 左右一段时间,且功率越小,稳定的时间就越长,在这个时间内微波能几乎全部被水分挥发过程所吸收,所以活性炭表面温度变化不明显.待水分挥发完毕,活性炭进入第二阶段快速升温阶段,可以用以下经验公式[4]定量描述:T =c 1@exp (c 2/t),(1)式中:T 为GAC 表面在t 时刻的温度,c 1和c 2均为常数.不同功率微波辐照下GAC 表面快速升温阶段速率方程根据方程(1),拟合T ~t 曲线,得到相应参数及相关系数见表3.#32#材 料 科 学 与 工 艺第17卷图1活性炭在微波场中的温升行为图2G AC在不同微波辐照功率下干燥情况表3活性炭在微波场中升温速率方程参数功率/W c1c2R2 100 1.104-0.00170.995220015897-26.9190.9760300 1.644-0.04230.9457400189472-19.8610.9908500307429-15.6260.99336002610363-18.2130.9967用上述速率方程描述活性炭在微波场中的快速升温行为是符合实际的,虽然从方程中还不能反应出各影响因素对活性炭的升温影响,但已经能比较真实地反应升温过程.由图2可以看出,随着微波辐照时间的延长, G A C的含水率迅速下降,其中,功率为300~600W的微波辐照更能快速有效地干燥G AC.吸附饱和水的G A C(含水率为54%)用600W微波辐照,完全干燥仅需要2175m i n,每干燥1g水的能耗为010017k W#h,仅为马福炉加热能耗的几十分之一.212正交实验结果按正交计划进行辐照实验,测量每次废炭再生后的碘值.并对正交实验进行直观分析.结果见表4和表5.表4L16(43)正交实验结果序号微波功率/W辐照时间/m i n活性炭吸附量/(m g#g-1)碘值/(mg#g-1) 160012618378318260025215165317360048115169210460051251877719540015215180519640022618384017740041251877316840058115178917920018115173812102002125186311311200426183745191220055215179315137511251872017147528115172818157545215179813167552618383910表5L16(43)正交实验的直观分析水平因素微波功率辐照时间活性炭吸附量K K.K K.K K.1290772618530497621163209802136232108021492854713162305176218432909727123301075214529497371194308777117132008001052904725190R751648614376146其中:K为某一因素和水平条件下各指标值的和,K.为某水平下重复多次时K的平均值,R为某因素各种水平条件下K.的极大值与极小值的差.比较极差R可知,对再生后活性炭碘值影响最大的是辐照时间,从碘值来看400W,2m i n再生效果好.辐照强度过小不足以去除吸附的有机物,辐照强度过大可能会导致活性炭自身聚集能量过多使原有#33#第1期张威,等:微波辐照再生颗粒活性炭(GAC)的研究孔隙被烧毁,碘值反而降低.213 微波辐照对GAC 表面酸碱基团的影响在活性炭液相吸附或活性炭作为催化剂载体时,炭表面化学特性对吸附性能产生显著影响.本文考察了微波作用对活性炭表面官能团和PZ C 的影响.21311 Boehm 滴定测定表面官能团Boehm 滴定法根据不同强度的碱、酸性表面氧化物反应的可能性对氧化物进行定性与定量分析.通常认为,N a H CO 3(PK N a H CO 3=6137)仅中和炭表面的羧基,N a 2CO 3(PK 2N a 2CO 3=10125)可中和炭表面的羧基和内酯基,而N a OH (PK N a OH =15174)可以中和炭表面的羧基、内酯基和酚羟基.根据碱消耗量的不同,可以计算出相应官能团的量.取510g 活性炭置于微波炉内辐照,而后进行滴定计算各含氧基团含量,结果如表6所示.表6 活性炭经微波辐照后表面酸碱特性变化活性炭样品碱性基团/(mm ol #g -1)羧基/(mmo l #g -1)内酯基/(m m ol #g -1)酚羟基/(mmo l #g -1)PZC 不辐照0122650111750106030111478190200W -2m i n 0123410110580105800110539107200W -4m i n 0131490108930105440109709119400W -2m i n 0129470106350105210108769127400W -4m i n0142090104700103680106539139由表6数据可以看出,活性炭经过微波的辐照,其表面的羧基、内酯基和酚羟基等酸性基团的含量明显减少.而其表面的碱性基团含量由012265mmol/g 可以增加到014209mmol/g ,增加了近100%.由表6数据还可以看出,随着微波的辐照功率增大,辐照时间延长,则活性炭表面的碱性基团增加的越多,酸性基团减少的越多.由吸附理论可知,微波辐照活性炭将有利于活性炭对酸性物质的吸附.21312 零电点(PZ C)的测定零电点(PZC)为表征活性炭表面酸碱性的一个重要参数.它是指水溶液中固体表面净电荷为零时的pH 值,也称为零电荷点.质量滴定法是指在一定离子强度(NaC,l 0105N )的水溶液中不断加入一定量的活性炭直至p H 值不变为止,此时的p H 值即为p H pzc ,结果列于表6.经过微波辐照的活性炭p H pzc 值比不辐照有所增加,且辐照的强度越大,p H p zc 值增加的也越多,这个结果与Boehm 滴定测定活性炭表面官能团的结果相符.分析原因可能是在微波辐照活性炭的过程中,活性炭表面的含氧基团以C O 或C O 2的形式不断脱除,从而导致活性炭表面的酸性减弱.214 微波辐照再生活性炭前后孔隙结构变化实验考察了吸附饱和废弃活性炭和微波辐照再生活性炭的空隙结果变化,结果如表7、图3和图4所示.表7 活性炭再生前后结构参数对比材料平均孔径/nm比表面积/(m 2#g -1)微孔表面积/(m 2#g -1)总孔容积/(c m 3#g -1)微孔容积/(c m 3#g -1)中孔容积/(c m 3#g -1)大孔容积/(c m 3#g -1)废弃炭21213401614419011883010637010585010318再生炭21116811832511013447011456011087010379根据国际纯粹与应用化学联合会(I U P AC)的分类,活性炭的孔隙可以分为3种类型:微孔(直径<2nm)、中孔(亦称过渡孔,直径2~50nm )和大孔(直径>50n m ).由表7数据可以看出,再生后的活性炭结构明显优于废弃活性炭,其中比表面积和孔容积等指标再生炭比废弃炭增长了100%以上.图3和图4中分别是微波辐照前后活性炭的孔容积变化率(d V /d r )和孔表面积变化率(d A /d r )在不同孔径时的情况,其中:V 为孔容积(c m 3),A 为孔表面积(m 2),r 为平均孔径(n m ),孔容积和孔表面积在数值上分别与相应曲线和坐标横轴之间所围成的面积相等.由图3和图4不难发现,当活性炭的孔径大于10nm 时,二者的变化率曲线基本重合;当活性炭的孔径小于5nm 时,再生炭的曲线在废弃炭之上,这表明微波辐照再生活性炭主要作用在小于5nm 的孔上.为了更清楚地对二者进行比较,活性炭的孔容积和孔表面积在不同孔径范围的分布情况如图5和图6所示.对比图5和图6中数据可知,微波辐照处理废弃活性炭,主要表现在对活性炭微孔和部分中#34#材 料 科 学 与 工 艺 第17卷孔的改变.在活性炭的孔隙中吸附着有机物、残留炭和C O 、CO 2水蒸汽等气体,这些物质大部分集中在微孔中,微波作用下它们克服范德华力吸引,开始脱附,随着微波能量的聚集,在致热和非致热效应的共同作用下有机物一部分燃烧分解,一部分炭化.同时,活性炭阻塞的微孔被打开,形成较大的孔容积和孔表面积[8,9].通常,活性炭微孔数量的大小可以反映出活性炭吸附性能的优劣,在吸附过程中微孔起主要作用,中孔和大孔是为吸附质提供扩散的通道.微波辐照大大提高了废弃活性炭微孔的数量,所以使其恢复了吸附能力,达到了再生目的.图3 微波辐照前后活性炭孔容积变化率曲线图4 微波辐照前后活性炭孔表面积变化率曲线图5 微波再生前后活性炭孔容积比较图6 微波再生前后活性炭孔表面积比较3 结 论1)活性炭对微波有很好的吸收作用,采用功率为600W 的微波辐照2m i n ,活性炭表面温度达1000e .对再生后活性炭碘值影响最大的因素是辐照时间,从碘值来看400W,2m in 再生效果好.2)微波作用可以使J X -206型果壳炭表面的碱性基团增加近100%,使其PZC 明显增大.同时,很大程度上降低了其表面酸性基团,这将有利于活性炭对酸性物质的吸附.3)与废弃活性炭相比,微波辐照后的活性炭比表面积、孔容积都增加了100%左右,且微波主要作用于直径小于5nm 的活性炭孔.参考文献:[1]ANI A C O ,M E N *NDEZ J A ,PARRA J B .M icro wave 2i nduced regenera ti on of acti vated carbo ns poll uted with pheno.l A co m par iso n with conventio na l t her m a l regene r 2atio n [J].Carbon ,2004,42:1383-1387.[2]DOBREVSK I I .B i ol ogica l regene ratio n of acti va ted ca r 2bon [J].W a ter Sc iTech ,1998,21(1):141-143.[3]陈岳松,陈 玲,赵建夫.湿式氧化再生活性炭研究进展[J].上海环境科学,1998,17(9):5-7.[4]翁元声.活性炭再生及新技术研究[J].给水排水,2004,30(1):86-91.[5]金钦汉.微波化学[M ].北京:科学出版社,2001.[6]王 鹏.环境微波化学技术[M ].北京:化学工业出版社,2003.[7]LI U X T ,Q UA N X ,BO L L .Temperat ure m easure m ent ofG AC and deco mposi tio n of PCP l oaded on G AC and GAC 2supported copper ca t a l yst i n m icro wav e i rrad i ati on [J].Ap 2plied Catalysi s A :Genera,l 2004,264:53-58.[8]张国宇,王 鹏,姜思朋,等.微波辐射处理酯化废水的工艺技术研究[J].给水排水,2004,30(8):61-64.[9]傅大放,邹宗柏,曹 鹏.活性炭的微波辐照再生试验[J].中国给水排水,1997,13(5):7-9.(编辑 吕雪梅)#35#第1期张 威,等:微波辐照再生颗粒活性炭(GAC)的研究。