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工業(yè)廢料活性炭微波制取及其在廢水處理中的應(yīng)用

文檔作者：金麗娜		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月20日
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昆明理工大學(xué)
碩士學(xué)位論文
工業(yè)廢料活性炭微波制取及其在廢水處理中的應(yīng)用
姓名：金麗娜
申請學(xué)位級別：碩士
專業(yè)：環(huán)境工程
指導(dǎo)教師：寧平;陳芝清
20031215
摘要
用活性炭處理廢水已得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)覿模所用活性炭性能低于市售一級粉末
活性炭，工業(yè)用粉末活性炭不僅生產(chǎn)過程中污染嚴(yán)重，產(chǎn)品使用過程中也有過濾困難，
吸附容量小等缺點(diǎn)，且目前工業(yè)用粉末活性炭多用傳統(tǒng)氧化鋅法生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中耗
用大量優(yōu)質(zhì)原材料，生產(chǎn)成本較高，價格昂貴，給廣泛應(yīng)用帶來困難。此外傳統(tǒng)的氯
化法制取活性炭由于其熱利用率低、勞動強(qiáng)度大，已不符合當(dāng)今合理利用能源、清潔
生產(chǎn)的時代潮流，改革傳統(tǒng)氯化鋅法制活性炭生產(chǎn)工藝因此更具有特殊意義。
本文用微波輻照下利用劣質(zhì)褐煤及其他工業(yè)廢料生產(chǎn)活性炭，利用微波內(nèi)部加熱，
快速加熱易自動控制、節(jié)能等特點(diǎn)，研究微波輻照下制取活性炭的方法，對微波場中
活性炭的升溫行為、活性炭的微波改性及其表面性能、微波輻射活化時間的確定、原
料與活化劑質(zhì)量比的確定等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，弄清了微波輻射操作條件對生產(chǎn)
活性炭性能的影響，生產(chǎn)的活性炭各種性能優(yōu)于市售一級活性炭(工業(yè)級)。
本文用微波法制得的活性炭處理廢水，研究結(jié)果表明：(1)微波活性炭具有吸附
容量大、吸附效率高、過濾快速、操作方便活性炭易再生等優(yōu)點(diǎn)；(2)爐渣殘?zhí)炕钚?
炭對焦化廢水中酚具有顯著的脫除效果，對含酚廢水的吸附符合Langmuir等溫吸附模
式，吸附呈單分子層形式、吸附容易進(jìn)行；(3)微波褐煤活性炭對廢水中鉻具有較強(qiáng)
的吸附能力，煤基活性炭對六價鉻的吸附符合Freundlish等溫吸附模式，并具有很好的
相關(guān)性；(4)其他微波廢料活性炭對鉻廢水吸附的實驗結(jié)果表明，鋸末、烤膠活性炭
對含鉻廢水的吸附屬于易吸附過程，對含鉻廢水具有優(yōu)良的凈化效果，其吸附容量是
市售一級活性炭的】．72～1、S倍，極限吸附量達(dá)21 5-22．5mg／g。
本文研究結(jié)果為微波工業(yè)廢料活性炭制取及其在廢水處理中的應(yīng)用提供了理論和
應(yīng)用依據(jù)。
關(guān)鍵詞：固體廢物；微波；活性炭：廢水；吸附；凈化
Activated Carbon Produced by Microwave Radiation
and Application in Wastewater Treatment
Abstract：Interest in the use of activated carbon purifying wastewater has increased
considerably over the past decades．The character indexes of industrial activated carbon are
lower than those of first-class powdered activated carbon in the market．In the production
process of industrial activated carbon，it is character of serious environmental pollution，
difficult filtration and low adsorption capacity．Moreover,chloride zinc process is widely used
in the traditional production of industrial powdered activated carbon．Chloride zinc process
need consnrlle a great deal ofhigh quality raW material，SO the production cost is high，and the
product is considerably expensive．It is difficult to widely use．Besides，in the chloride zinc
process，low heat utilization rate and high labor intensity arc not Satisfied for the current trend
of clean production and reasonable energy utilization．Therefore，it is very important and
significant for the production of activated carbon to optimize the traditional chloride zinc
process．
In this paper,it is described that inferior quality brown coal and other industrial solid
waste is used to product activated carbon by microwave radiation．Through these characters of
microwave inter and fast heating，easily auto control and energy saving，it is systemized
discussed the following e疏ct factors in the production process：Temperature raising behavior
of activated carbon，microwave conditions optimization，surface characters，microwave
radiation time and the raw material to activated agent ratio．It is clarified that microwave
radiation operation conditions affect the charactei"of the produced activated carbon．The
character indexes of produced activated carbon are better than those of first。class activated
carbon in the market(Industrial Grade)．
In addition，it is studied that the produced activated carbon by microwave is used to treat
wa臥ewater．These results indicated that：(1)Activated carbon produced by microwave has the
2
following advantages of lar驢adsorption capacity,high adsorption efficiency,fast filtration，
convenient operation and easily regeneration；(2)Activated carbon CaR obviously remove
phenol from carbonization wastewater,and the adsorption process is satisfied Langmuir isothermic
equation for adsorption，single molecule plate as adsorption form and easily adsorption；(3)
coal—based activated carbon has strong adsorption capacity on chromium from wastewater．Cr
(Ⅵ)adsorption on the coal-based activated carbon conform to Fmandlich isothermic equation
for adsorption，and the adsorption equation has good relevance；(4)Activated carbon used
other solid waste by microwave radiation are studied．For instance，activated carbon produced
by sawdust and toasted rubber can easily adsorbed chromium contained wastewater，and
purification efficiency is high．The adsorption capacity is as 1．72-1．8 times as that of
first-class powdered activated carbon in the market，the maximum adsorption capacity can
reach to 1．5-22．5mg／g．
In conclusion，the experimental data indicated the theoretic and applied feasibility of the
production of activated carbon used industrial solid waste by microwave and its application in
the wastewater treatment．
Keywords： solid wastewater；microwave radiation；activated carbon；waste water；
adsorption；purification
3
昆明理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
Y．卷豸3320
本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下(或
我個人??)進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)
容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成
果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在論文中作了明
確的說明并表示了謝意。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
學(xué)位論文作者簽名2壁甬卿
日期：，棚弓年僅月ff日’
關(guān)于論文使用授權(quán)的說明
本人完全了解昆明理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：
學(xué)校有權(quán)保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱，學(xué)?？梢怨?
論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印或其他復(fù)制首都保存論文。
(保密論文在解密后應(yīng)遵守)
導(dǎo)師簽名：阿斗
注：此頁放往封面后，日錄前。
論文作者簽名：金確蛔P
日期：如弓年『上月IS"日
第一章前言
第一章前言
活性炭是一種具有表面積、具有優(yōu)異綜合吸附能力的含碳物質(zhì)，廣泛
應(yīng)用于環(huán)保、氣相吸附、液相吸附、醫(yī)藥、食品、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，特
別是由于世界環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的需要，使得活性炭工業(yè)得到迅速發(fā)展。美國
是目前世界上最大的活性炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，據(jù)統(tǒng)計，l 997年其年產(chǎn)量
已達(dá)26萬噸左右。我國活性炭工業(yè)持續(xù)發(fā)展，年產(chǎn)量已超過l 0萬噸，居
世界第2位，其次是俄羅斯、日本和德國。從出口來看，我國早在1 99 5年
就已超過美國，成為活性炭最大的出口國。目前，我國活性炭的發(fā)展不僅
僅是產(chǎn)量的增加，還包括生產(chǎn)原料的不斷擴(kuò)展、生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)提高、
產(chǎn)品種類的增多及產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，我國活性炭工業(yè)生產(chǎn)按生產(chǎn)原料
劃分有煤基活性炭、木質(zhì)活性炭、果殼活性炭等，滔性炭的生產(chǎn)原料已不
僅限于木材、煤、果殼和果核，竹子、廢紙、稻殼、農(nóng)作物秸稈、炭黑、
石油焦、瀝青等，都可用來生產(chǎn)活性炭。但，我國本材和果核價格昂貴、
資源有限，難以大規(guī)模發(fā)展；能制造活性炭的優(yōu)質(zhì)無煙煤主要集中在山西、
寧夏等地，受數(shù)量和運(yùn)輸?shù)闹萍s。通常生產(chǎn)1噸活性炭需用優(yōu)質(zhì)煤4噸，
用木材要1 2～1 5噸，用木屑則約需20噸，利用煤炭生產(chǎn)比表面積在
800～1 000m2儋的中檔炭及≥1 000m2，g高檔炭在技術(shù)上是可能的，產(chǎn)品可
以與木質(zhì)炭相當(dāng)。(中檔炭：9000元左右；≥1 000m 2／g高檔炭：1 5000元
左右，生產(chǎn)所用的的KOI-I目前市場價為2200元)，因此利用煤炭或工農(nóng)
業(yè)廢料生產(chǎn)活性炭，既可以保證來源，又能對廢物進(jìn)行綜合利用，具有可
觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，從實驗結(jié)果可以看出所得到的活性炭理化性質(zhì)
優(yōu)良，這不僅為活性炭的生產(chǎn)提供～種新的原料和生產(chǎn)方法和途徑，對我
國活性炭工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義?！笆濉逼陂g，隨著我國大幅度加
大環(huán)保投資，活性炭的需求量也將成倍增長；另外，隨著我國入世的成功，
我國活性炭將其低廉的價格進(jìn)一步打入國際市場。
將微波技術(shù)用于活性炭的加工制取、微波活性炭的改性及其在廢水處
理方面的應(yīng)用還處于探索階段，無論是理論依據(jù)還是實際經(jīng)驗都十分缺
乏。因此，采用微波輻射制取活性炭并將其應(yīng)用于廢水處理是一條值得探
索的新路。
本文用微波輻照下利用褐煤及其他工業(yè)廢料生產(chǎn)活性炭，將對微波場
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
中活性炭的升溫行為、活性炭的微波改性及其表面性能、微波輻射活化時
間的確定、原料與活化劑質(zhì)量比的確定等進(jìn)行系統(tǒng)的研究，弄清微波輻射
操作條件對生產(chǎn)活性炭性能的影響，并將微波活性炭應(yīng)用在廢水處理方
面，為微波用于活性炭的制備及應(yīng)用提供理論依據(jù)和工藝擴(kuò)大實驗的數(shù)
據(jù)。
2
第二章文獻(xiàn)綜述
第二章文獻(xiàn)綜述
2．1 活性炭的表面特性
活性炭作為一種吸附催化材料，已在化工、石油、輕工、食品、環(huán)境
保護(hù)、國防等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2 6,2 71，它的性能是由其孔隙結(jié)構(gòu)和
表面化學(xué)性質(zhì)兩方面決定的。大部分關(guān)于活性炭氣相吸附的研究表明，活
性炭的孔形態(tài)(表面積和孔徑分布)是影響的主要因素，其表面化學(xué)特性
不顯著，而對活性炭的液相吸附或活性炭作為催化劑載體，炭表面的化學(xué)
特性對吸附性能產(chǎn)生顯著影響[2 8-30】。
2．1．1 活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)
活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)是指孔隙容積、孔徑分布、表面積和孔的形狀。活
性炭的孔徑分布范圍很寬，孔的形狀也多種多樣(圖2．1)。通常把半徑小
于2nm的孔叫微孔，2<1>
200hm的孔叫大孔【”J。
圖2．1活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)
不同孔徑的孔在吸附催化過程中發(fā)揮的作用有所不同。大孔的內(nèi)表面
積可以發(fā)生多層吸附，但它在比表面積中所占比例很小。大孔容積一般為
0．2～0．8cm 3／g，比表面積O．5～2．0 m2／g，大孔在活性炭中常常成為吸附質(zhì)
分子的通道。中孔既是吸附質(zhì)分子盼通道，支配著吸附過渡，又在一定相
對壓力下發(fā)生毛細(xì)管凝結(jié)，它對大分子的吸附有著重要的作用，孔容一般
為0．02～O．1 0cm3／g，比表面積20～70 m2／g。微孔是吸附作用最大的，它
對活性炭吸附量起著支配作用，微孔容積一般0．2～0．6 cm3幢，比表面積
3
珍莎
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
幾百至幾千m2／g[3¨?；钚蕴坷硐氲目紫督Y(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是樹枝形的。即主干是
大孔，支是中孔，終端末梢才是微孑L。
在吸附(分離)操作中，吸附剎的孔徑與吸附質(zhì)分子或離子的幾何太
小有一個匹配問題【32 J。只有吸附質(zhì)分子或離子能進(jìn)入和充填的孔隙才是
有效孔隙，根據(jù)資料報道：對吸附劑利用率最高的孔徑和吸附質(zhì)分子直徑
的比值為1．7～3，對需要重復(fù)再生的吸附劑這一比值為3～6或更高[2”。
2．1．2 活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)
活性炭的吸附和催化特性不僅決定于它的孔隙結(jié)構(gòu)，同時也決定于它
的化學(xué)性質(zhì)。化學(xué)性質(zhì)的不同對活性炭的酸堿性、潤濕性、吸附選擇性、
催化特性、電性質(zhì)等產(chǎn)生影響【”‘3 51。因此，活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)的研
究受到人們的高度重視，同時化學(xué)改性也成為人們提高活性炭某些吸附特
性的有效手段。
活性炭表面含有多種官能團(tuán)：酸性官能團(tuán)、中性官能團(tuán)和堿性官能團(tuán)
(圖2．2)【3 61。活性炭表面所含的氧，大多以氧官能團(tuán)的形式存在，這也
是活性炭最主要的活性基團(tuán)，可分為1)強(qiáng)酸基，2)弱酸基，3)酚羥基，
4)羰基等四組lj“。
妒k咖凈0、H
羧基酚羥強(qiáng)
啷0 簪。
內(nèi)酯內(nèi)酯(淡光霸囀’
(丑)瞎性表蝣畝能囡
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芭烯掣拇造晚}相硝狀構(gòu)磕
、c—o
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醒捌璇蟮鮮狀垃軋化物
(c)葉1性．?dāng)\曬臺瞧即
圖2．2活性炭表面的官能團(tuán)
表面氧化物賦予活性炭弱極性，增強(qiáng)或擴(kuò)大了活性炭的催化性能，改
變了炭對有機(jī)物、無機(jī)物的吸附選擇性。如：苯酚在活性炭上的吸附量隨
活性炭上的酚羥基數(shù)量的增加而減少，苯甲酸的吸附量則與活性炭表面上
的酸性基團(tuán)總量有關(guān)。炭的表面不僅可以和氧結(jié)合，還可以和其它元素如
4
第二章文獻(xiàn)綜述
s、H、Cl等結(jié)合，以含硫、氫、氯的官能團(tuán)存在。Boehm漓定能夠給出
活性炭表面含氧官能團(tuán)數(shù)量及分布情況【381?；钚蕴恐械难?，除了上述酸
性基團(tuán)外，還發(fā)現(xiàn)有內(nèi)酯、醚、過氧化物、羧酸酐等。
2．2 活性炭的制備途徑
活性炭可以利用各種含碳材料進(jìn)行高溫炭化和活化處理而制得，隨著
原料和生產(chǎn)工藝的不同，所得活性炭的吸附性能也有很大的差別。不同的
原料和工藝條件，能夠加工出不同用途的孔隙結(jié)構(gòu)和表面特性豐富的活性
炭。
2．2．1 活性炭的原料
活性炭是一種含碳為主的物質(zhì)，它是一種可利用木炭、木屑、椰殼、
核桃殼、各種果核、紙漿廢液以及其他農(nóng)林副產(chǎn)品、褐煤、泥煤、石油殘
渣、石油焦、瀝青焦、廢塑料、舊輪胎、動物骨等為原料，經(jīng)高溫炭化和
活化制取得到的疏水性吸附劑。
由于木炭來源于原木，隨著當(dāng)代社會環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們已開始對
自然森林禁伐，致使木炭的來源受到極大的限制，其價格亦面臨上漲趨勢。
因此開發(fā)木炭的替代品已迫在眉睫。開展對替代木炭原料的研究，有著良
好的虛用前景和良好的社會、環(huán)保效益。我國是煤炭大圜，煤炭資源豐富、
分布廣泛、價格低廉，且大多集中在中西部地區(qū)，就地開采煤質(zhì)活性炭代
替木質(zhì)活性炭，既可以減緩煤炭運(yùn)輸對鐵路和港口形成的巨大壓力，又可
以具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，因此，以煤為原料制取活性炭具有良
好的發(fā)展前景。
2．2．2 活性炭的制備途徑‘1’2，3】
活性炭在制造過程中以活化過程最為重要，根據(jù)活化方法可分為藥劑
活化法和氣體活化法。
(1)藥劑活化法(或稱化學(xué)活化法)
活性炭的研究目前有兩種趨勢：一是制造用量大、面廣、性能一般且
價格低廉的活性炭：二是制造性能優(yōu)良、具有特殊用途的高性能活性炭，
利用藥劑活化法(或化學(xué)活化法)制備活性炭即屬于此類。藥劑活化法是
通過選擇合適的活化荊，把活化劑與原料混合后直接活化，一步即可制得
滔性炭，相對氣體活化法而言，簡化了操作，節(jié)省了時間。常用的活化藥
5
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
劑有：氯化鋅、硫酸、磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氧化鈣等，其中應(yīng)用
廣泛的是氯化鋅法和氫氧化鉀法，氯化鋅法主要針對以木屑、椰殼、各種
果核等為原料的本質(zhì)活性炭的生產(chǎn)；而氫氧化鉀法主要針對以煤、石油殘
渣、石油焦、瀝青等為原料的煤質(zhì)活性炭的生產(chǎn)。
①氯化鋅法
氯化鋅活化法在我國是最主要的生產(chǎn)活性炭的化學(xué)活化法，工業(yè)化已
多年。它主要以木屑為原料，活化時只需3t左右的木屑即可以得到1t活
性炭，收率高。而通過普通的物理活化法活化時，制得1t活性炭則需20t
本屬"j。另外，ZnCl2法活化時，活化溫度低，對糖用活性炭來講，活化
溫度一般在5 50℃以下，而藥用炭則應(yīng)控制在500℃以上，從而減少了能
耗及高溫操作帶來的一系列難題。其制造工藝為：
干燥的木屑一與ZnCl2溶液混合成型一炭化活化(5 50～650℃)
一ZnCl 2回收一酸洗一水洗一脫水一千燥一磨粉一產(chǎn)品。
②氫氧化鉀活化法
與其它堿性活化劑相比，氫氧化鉀性能量佳，Huttinger認(rèn)為含K電
解質(zhì)比其它的金屬電解質(zhì)催化效果顯著的原因在于，熔融K電解質(zhì)在炭
表面潤濕性好，加入活化劑助劑的目的就是為了降低含K電解質(zhì)在炭表
面的表面張力、使之與炭表面能更好的接觸．達(dá)到更好的催化效果。
以煤、石油殘渣、石油焦、瀝青等為原料{用氨氧化鉀為活化劑可制
取高比表面積的活性炭，目前美國、日本已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化。我國還處于
實驗研究階段。美國AMOCO公司以煤或石油焦為原料，用KOH活化法
得到比表面積為2500m2／g的離比表面積活性炭：鼠本大阪煤氣公司也以
中間相瀝青微球為原料，用KOH法制得了比表面積高達(dá)4000m2／g的活性
炭。中科院山西煤化所楊駿等人用瀝青中閶相為原料，得到比表面積為
2400m2／g的活性炭。石油大學(xué)的吳明鉑等用聚丙烯腈預(yù)氧織物為原料，
通過KOH活化制得比表面積為2930m2／g且孔分布比較均勻的第三代活性
炭一一活性炭纖維。原料不同，制備的工藝條件也有所不同，KOH活化法
制備活性炭的工藝流程大體如下：
原料破碎一與KOH混合一成型一低溫炭化(200～500℃)一高溫活化
(600～800℃)一酸洗一熱水洗一蒸餾水洗一干燥一產(chǎn)品。
一般認(rèn)為碳材料與KOH的活化反應(yīng)是一個復(fù)雜過程，目前還有許多
不明之處，但其主要反應(yīng)為：
6
第二i章文獻(xiàn)綜述
C+4KOH_÷K2CO3+H20+2H2 (2—1)
在活化過程r11，由于KOH的高溫分解及800℃以上盒屬鉀蒸汽在人
鼉產(chǎn)生、碳的還原性，還有下列反應(yīng)發(fā)生：
2KOH—K 20+H 20 (2—2)
C+H20—}H2+CO (2—3)
CO+H20_÷H 2+CO2 (2—4)
K20+H2_÷2K+H20 (2—5)
K20+C一2K+CO (2—6)
K20+C _K2CO3 (2-7)
K2CO3+2C _2K+3CO (2-8)
(2)氣體活化法(或稱物理活化法)
氣體活化法是活性炭在原料炭化后，用水蒸氣、二氧化碳、空氣、煙
道氣為活化氣，在800～1 500K下活化麗得，顆粒狀活性炭一般采用這種
方法，其制造工藝為：
原料破碎一與粘結(jié)劑混合成型一千燥一炭化(300～4 50℃)一水蒸
氣活化(920～1 000。C)一洗滌一干燥一分極一產(chǎn)品。
制造過程包括：
a、干燥：原料在1 20～l 30℃下脫水。
b、炭化：加熱溫度在1 70℃以上時，原料開始炭化分解，到400～600℃
時炭化分解完畢。
c、活化：在高溫條件下通入活化氣， 在缺氧情況下發(fā)生水煤氣反應(yīng)，
使微孔擴(kuò)大，得到多孔結(jié)構(gòu)的活性炭。其活化機(jī)理如下：活性碳原子與水
蒸氣分子結(jié)合，進(jìn)而該結(jié)合態(tài)分解，從而形成孔隙結(jié)構(gòu)，反應(yīng)如下：
．C+H 20_一C．H20 (2-9)
．C．H20_÷H2+．C．O (2—1 0)
消耗碳原子而形成孔隙是氣體活化法的主要機(jī)理，其工藝特點(diǎn)是活化
溫度高、設(shè)備投資大、能耗高，但對環(huán)境污染低。
2．3 活性炭的應(yīng)用
山于活性炭能有效地去除污水中大部分有機(jī)物和某些無機(jī)物，活性炭
吸附技術(shù)廣泛用于醫(yī)藥、化工及食品工業(yè)等方面，在20世紀(jì)60年代初，
歐美各國開始大量使用活性炭吸附法處理城市飲用水和工業(yè)廢水，現(xiàn)在該
7
昆明理1。人學(xué)碩十學(xué)位論文
技術(shù)已成為城市污水和工業(yè)廢水深度處理和污染水源凈化的有效手段。
2．3．1 作為吸附劑的應(yīng)用
活性炭作為吸附劑，始于工、Ik上作為脫色劑應(yīng)削’y-精制糖。在液相吸
附中，食品工業(yè)用于脫色和調(diào)香味；水處理(處理各種污水、凈化自來水
等)改善水質(zhì)；醫(yī)藥上用作藥劑脫色和凈化(如青霉素生產(chǎn)等)：石油化
工和橡膠生產(chǎn)等方面都有十分廣泛的用途。用活性炭作為氣相吸附劑，始
于第一次世界大戰(zhàn)中的防毒面具，防護(hù)毒氣和有害氣體，是氣體凈化、精
制、分離和回收溶劑等的一種重要方法。隨著人們剝環(huán)保越來越重視，活
性炭在治理空氣污染方面的需求量將越來越大。用于氣體吸附的活性炭是
顆粒狀的，細(xì)孔結(jié)構(gòu)比較發(fā)達(dá)，因而具有很強(qiáng)的吸附能力。水處理是環(huán)境
保護(hù)的重點(diǎn)，用于水處理的活性炭用量在發(fā)達(dá)國家占其總用量的40％左
右。活性炭在水處理方面的應(yīng)礙最早是美國于i932年底開始的，用于芝
加哥的自來水處理，并很快在各地自來水廠普及。然后又推廣到工業(yè)用水、
城市下水和工業(yè)廢水等方面?；钚蕴课降臍怏w種類多、速度快，而且大
多數(shù)可以再牛，廢棄時，活性炭本身污染小。按活性炭作為吸附劑利用的
目的大致分為精制、回收(或者捕集)、分離三大類。
2．3．2 作為催化劑載體的應(yīng)用
眾所周知，很多金屬和金屬氧化物的催化活性取決于活性中心的存
在，而活性中心多半是由于結(jié)晶的缺陷?；钚蕴恐杏袩o定形碳和石墨碳-
因而具有不飽和鍵，所以具有類似于結(jié)晶缺陷的表現(xiàn)。在很多情況下，活
性炭是理想的催化劑。特別是氧化還原反應(yīng)中更是如此活性炭在煙道氣脫
硫、硫化氰的氧化、光氣制造、烴類的氯化、氧化脫氫、一些聚合反應(yīng)、
酯的水解；再如工業(yè)上氯化二氰的合成，電池中氧的去極化作用，臭氧的
分解等方面都有著廣泛的應(yīng)用。同時活性炭也是理想的催化劑載體，因為
它具有可擴(kuò)展的內(nèi)表面積，其比表面積可達(dá)l 500m2／g，甚至更高的超級
活性炭的比表面可達(dá)到3000m 2／g。此外由于活性炭的電子系、微小石墨
結(jié)構(gòu)或不對稱電子結(jié)構(gòu)能和其它成分形成絡(luò)合物，對一些由備成分單獨(dú)存
在時完全不能進(jìn)行或活性極小的反應(yīng)，由于絡(luò)合物的存在把兩者結(jié)合起
來，會使活性炭的活性明顯地增加很多。
2．3．3 活性炭的其它應(yīng)用
活性炭虛用的其他領(lǐng)域是指活性炭的一些特殊應(yīng)用，它的開發(fā)可能給
8
第二章文獻(xiàn)綜述
我們的生活帶來一些預(yù)想不到的結(jié)果。如活性炭可作為吸附抗癌藥一已經(jīng)
成為國內(nèi)外化療界關(guān)注的熱點(diǎn)，活性炭還可以用于治療胃腸道疾病，用于
吸附有毒物質(zhì)、血液過濾、血液滲析，如人工腎中凈化毒素：在金屬的精
選方面：如用活性炭吸附金來分離回收金，利用其與氫氧化鋁和氫氧化鐵
混和物共同沉淀可以從海水中分離鈾?；钚蕴窟€可用于水果和食品保鮮、
香煙過濾咀等人們的日常生活中。在用氣體擴(kuò)散泵獲得高真空的技術(shù)中，
活性炭也被用作微量氣體的吸附劑。核工業(yè)中的應(yīng)用核反應(yīng)堆在核反應(yīng)時
會放出有害物質(zhì)，如放射性碘、氪、氤等，用浸漬碘的活性炭可以吸附放
射性的碘和消除受放射性污染的氣體的核污染。在農(nóng)業(yè)方面，國內(nèi)外都進(jìn)
行了活性炭改良土壤，活性炭和農(nóng)藥、肥料混合施用以提高地溫，增加土
地水容量，改善透氣性，使農(nóng)藥和肥料緩釋、延長藥效和肥效，進(jìn)而達(dá)到
增加產(chǎn)量目的。
2．4 活性炭的表面改性技術(shù)
活性炭的表面特性由兩方面來決定：制備方法(主要是活化工藝)和
后處理技術(shù)(主要是表面改性技術(shù))?；钚蕴康募兲季w表面是非極性的，
因此有利于吸附非極性化合物。但如果通過工藝控制及后處理方法，增加
炭表面的非碳元素基團(tuán)，或添加進(jìn)不同化學(xué)成分，使活性炭表面改性，活
性炭能同時吸附極性或可極化化合物，與相應(yīng)的化學(xué)成分起化學(xué)反應(yīng)或催
化作用，因而能進(jìn)一步適合各種特殊用途的要求。因此，根據(jù)活性炭的表
面特性對不同物質(zhì)的吸附性能，調(diào)整活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，改變表面基團(tuán)，
對提高活性炭的特殊性能和特定吸附催化作用具有十分重要的作用和意
義。
2．4．1 孔隙的調(diào)整
為了適應(yīng)各種功能的要求，活性炭需要有適當(dāng)尺寸的大孔、中孔和微
孔，孔隙調(diào)整的目的就是使活性炭的細(xì)孔與吸附分子尺寸相當(dāng)，提高其對
不同吸附質(zhì)的吸附能力。孔隙調(diào)整的方法決定于活性炭的孔結(jié)構(gòu)，如孔徑
的大小、孔容的大小等，有的需要開孔、擴(kuò)孔，有的則需要縮孔。開孔和
擴(kuò)孔常用的方法是控制輕度活化程度，縮孔的方法很多，有熱收縮法、浸
漬覆蓋法、氣相熱解堵孔法等。表2．1就是活性炭熱收縮法的一個例子，
熱處理使孔容變化主要發(fā)生在中孔，微孔容積基本不變，平均孔半徑由
9
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
2．5nm降至I．5 rim[391。
表2．1 熱處理前后活性炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)
樣品。。’。。
(cm3／g)(cm 3／g)(cm 3／g)徑(nnl)
2．4．2 活性炭的表面化學(xué)改性
由于活性炭的化學(xué)組成和表面的活性官能團(tuán)的種類、數(shù)量對吸附和催
化帶來了重大影響，所以根據(jù)吸附質(zhì)的不同對活性炭進(jìn)行相應(yīng)的改性有著
重要意義。表面化學(xué)改性主要改變活性炭的表面酸、堿性，引入或除去某
些表面官能團(tuán)，使其其有某種特殊的吸附或催化性能。
(1) 氧化處理
通過對活性炭表面進(jìn)行～系列化學(xué)和物理處理，調(diào)節(jié)活性炭表面含氧
宮能團(tuán)種類及數(shù)量，調(diào)整表面酸堿性和極性，可以顯著增強(qiáng)活性炭的吸附
選擇性能力。
將活性炭成品先在隔絕空氣條件下冷卻到400，500℃，然后與空氣充
分接觸實現(xiàn)氧化處理，可使活性炭更富有堿性表面氧化物，使表面極性及
親水性都有所增加，能較好地啵附水溶液中的極性有機(jī)物及無機(jī)物‘401。
將活性炭進(jìn)行氧化處理，提高表面酸性氧化物的含量，相應(yīng)地提高了
其極性和親水性，用這種活性炭能更好齙吸附水溶液中極性有機(jī)物和無機(jī)
物。氧化處理是常用的改性活性炭的方法，如用HN03、H202、(NH4)2S20s
等氧化物質(zhì)進(jìn)行處理。不同的氧化劑處理后，含氧官能團(tuán)地數(shù)量和種類不
同，氧化程度越高，含氧官能團(tuán)越多【411。氧化處理也可以改變活性炭的
孔隙結(jié)構(gòu)。比表面積、容積降低，孔隙變寬【4”。
(2) 添加活化劑
國內(nèi)外學(xué)者在活性炭主體結(jié)構(gòu)上的表面碳原子添加雜原子(O，S，N，
c1等)和酸性或堿性以及競機(jī)鹽和金屬氧化物[42-49】，形成各種表面化學(xué)
基團(tuán)，改變活性炭的疏水特性，提高活性炭的吸附能力和選擇性。添加化
學(xué)物質(zhì)的方法有以下幾種：活性炭在一定袋發(fā)溶液中浸籟，使細(xì)孔內(nèi)被藥
液浸透；使活性炭與藥液蒸汽接觸，藥液吸附于活性炭內(nèi)孔中；氧化活性
10
第二章文獻(xiàn)綜述
炭表面，賦予官能基團(tuán)，然后以化學(xué)鍵力吸收藥液。
在脫硫活性炭中添加適當(dāng)?shù)母男詣?，可以顯著增強(qiáng)活性炭的催化活
性，從而既可降低反應(yīng)的活化能，又可提高硫容量和脫硫效率，如經(jīng)NaOH
改性后的活性炭的硫容量為未改性炭的40—60倍fsoj。將含氮、含碘、含
硫等化臺物添加到活性炭孔隙內(nèi)表面上，制成含氮、含碘、含硫活性炭，
可以分別提高煙氣脫硫、除汞等性能【”]。
(3) 高溫?zé)崽幚?
活性炭的堿性主要是由于酸性含氧基團(tuán)的缺失，因此，可以通過在不
同氣體中加熱活性炭的方法去除表面氧而獲得堿性特性【52。5”。在H2和
N 2等惰性氣體高溫(>700℃)處理可達(dá)到這一目的，HNO 3氧化活性炭
表面增加羧基等酸性基團(tuán)含量，它們可以通過高溫處理去除。
(4) 低溫等離子體處理
低溫等離子技術(shù)既能改變活性炭表面化學(xué)性質(zhì)又能控制材料的界面
物性，在活性炭材料的表面處理方面顯示獨(dú)到的優(yōu)勢。用于炭材料表面改
性的低溫等離子體主要由電暈放電、輝光放電和微波放電產(chǎn)生。
材料的表面改性需要通過斷開或激活材料表面的舊化學(xué)鍵并形成新
的化學(xué)鍵才能實現(xiàn)。微波低溫等離子體作為一種非熱平衡等離子體，其粒
子能量的參數(shù)范圍如下：電子(Electrons)0eV～20eV，亞穩(wěn)態(tài)粒子
(Metastables／Excited)0eV～20eV， 離子(10ns)0eV～2eV， 光子
rUV／vi siblel3eV～40eV。表2．2所示為各類材料中一些常見化學(xué)鍵的鍵
能。不難看出，除離子外，低溫等離子體中絕大多數(shù)粒子的能量均高于這
些化學(xué)鍵的鍵能，這表明，利用微波低溫等離子體完全可以破壞材料表面
的舊化學(xué)鍵而形成新鍵，從而賦予材料表面新的特性¨4 J。
表2．2 一些代表性化學(xué)鍵的鍵能
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
2．5 微波改性活性炭研究現(xiàn)狀
微波作為一門近年來得到迅速發(fā)展與應(yīng)用的新技術(shù)，最早是隨著軍事
上的需要而出現(xiàn)的，由于微波具有頻率高、頻帶寬的特點(diǎn)，隨著人們對無
線電頻譜空間需要的不斷增長，使微波獲得了極為廣泛的應(yīng)用，遍及國防
建設(shè)、科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生生產(chǎn)及日常生活等各領(lǐng)域。微波的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)
域是雷達(dá)和通信，在工農(nóng)業(yè)方面主要應(yīng)用微波進(jìn)行加熱和測量，利用微波
特有的加熱特性，作為一種新的能源對物質(zhì)進(jìn)行加熱，從而引出了一種獨(dú)
特的加熱技術(shù)一一微波加熱技術(shù)，微波加熱這種節(jié)能新技術(shù)目前廣泛應(yīng)用
于食品加工、紡織印染、皮革加工、橡膠工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、林產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)、
彩印、電子工業(yè)和家庭生活中。
Menendez J．A．等[701研究了用微波處理對活性炭表面化學(xué)的改性，結(jié)
果表明：在氫氣保護(hù)下，炭表面的大多數(shù)含氧基團(tuán)被去除，同時炭的pH
顯著增加。微波處理較傳統(tǒng)加熱處理耗時少，僅僅幾分鐘就可使酸性炭變
為相對氧含量低的堿性炭，同時微波處理后的炭更不易在空氣中再氧化t
Menendz J．A．等【5 21也研究了微波和電加熱處理活性炭的比較，結(jié)果
表明：電和微波在惰性環(huán)境下加熱炭樣品，在結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)方面能產(chǎn)生
相似的變化。使用微波主要的優(yōu)點(diǎn)是處理能在相當(dāng)短的時間內(nèi)完成，這意
味著更低的惰性氣體和能量消耗。熱電偶與微感應(yīng)高溫計的結(jié)合使微波處
理期間炭溫度的判斷成為可能，溫度隨時間的變化顯示出一個很高的初始
加熱速率，也表明在微波處理的5分鐘內(nèi)，有4分鐘炭床溫度穩(wěn)定保持最
高值，在惰性環(huán)境下進(jìn)行微波處理似乎是一種去除炭表面氧官能團(tuán)，獲得
具有堿性特性材料的有效途徑。根據(jù)疲樣品的特點(diǎn)，微波誘導(dǎo)處理能在幾
分鐘內(nèi)去除大部分表面含氧官能團(tuán)。
Boudou J．P．等【711研究了用徼波在低壓下誘導(dǎo)氧等離子改變活性炭表
面酸性基團(tuán)的研究，結(jié)果表明：活性炭樣品的孔隙結(jié)構(gòu)改變較小，而同時
具有較低的表面酸性。
一弓17 21報道了日本利用微波等離子體處理活性炭，可以在短時間處
理增大活性炭的比表面積，微小附著物從活性炭微孔周圍被除去，增加炭
表面的凹凸程度，提高活性炭對各種有機(jī)化合物(苯、甲苯、醋酸乙脂及
二硫化碳)的吸附能力。
但是將微波技術(shù)用于活性炭的加工制取及其的改性還處于探索階段，
12
第二章文獻(xiàn)綜述
無論是理論還是實際都十分缺乏。因此，采用微波輻射制取活性炭并將其
應(yīng)用于廢水處理是～條值得探索的新路。
2．6微波加熱技術(shù)基礎(chǔ)
2．6．1 微波基礎(chǔ)
所謂“微波”，通常指頻率從3×1 08到3×1 011 Hz的電磁波。凡
低于3×1 0 8H，的，即指通常所說的無線電波，包括長波、中波和超
短波。凡高于3×1 n¨Hz的，則屬于紅外線或可見光等。
根據(jù)電磁波在真空中的傳播速度c與頻率廠、波長^之間的關(guān)系：
C=f^，相對于3 x 108到3×l 011 HZ的微波頻率范圍的微波波長范圍
為lID．到1lllnl左右。由此可見，微波的頻率很高，。波長很短，所以顧
名思義，人們稱之為微波(MiCIrNWave)。
在微波波段中，又可劃分為4個分波段(見表2．3)。
表2．3 微波的分波段劃分
應(yīng)用微波進(jìn)行加熱通常有三個主要的頻率段，盡管在不同的國家可能
有不同的規(guī)定，即：(1)l OHz左右的低頻段，由于牽涉到某種技術(shù)難題
以及合法性，而很少用于加熱應(yīng)用，常見于無線收視和移動通訊技術(shù)中。
(．2)30GH z以上的高頻段。在這個頻段上，大規(guī)模低成本的工業(yè)加熱應(yīng)
用似乎很困難，僅多見于高頻等離子體技術(shù)中。(3)介于這兩者之間的頻
段是目前加熱應(yīng)用研究的主要頻段，考慮到微波器件和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，以
及避免使用頻率太多造成對雷達(dá)和微波通信的干擾，目前微波加熱所采用
的常用頻率為0。9i 5GHz和2．45GHz，其對應(yīng)波長分別為0，330m和0．1 22m c
2．6．2 微波加熱的基本原理
微波加熱的原理可用極性分子在外電場作用下迅速轉(zhuǎn)動來解釋。
13
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
圖1和圖2表示了在微波能作用下加熱的簡要原理：
如圖所示：電池通過一個換向開關(guān)罵酋容器的極板連接，極板之
間放入一杯水(水分子為極性分子)。當(dāng)開關(guān)合上時，兩極板間產(chǎn)生
的電場作用，使杯中的水分子帶正電的氫端趨向電容器的負(fù)極，并使
帶負(fù)電的氧端趨向正極，這就使水分子按電場方向規(guī)則地排列，如圖
2．3表示。
如果轉(zhuǎn)向開關(guān)打向相反方向，則電場方向轉(zhuǎn)向，水分子正負(fù)端也
跟著轉(zhuǎn)向，如圖2．4表示。
j 電
池
～～1
"l。≯：’2≯：f 張聯(lián)水分子0幔，≤蔓1}電擎極板
i|：=’C，：r：： ，4 7’
●}——，———————————————．———————：——=—=一=一=—=—=+=二_=j7
圖2．3 微波加熱原理圖1
電： 二j二：!
蘭一一一-f- i轉(zhuǎn)換開關(guān)水分子一書：t i≥；；{ 電容器極板’ 于—卜。。+‘++I電瞀器擻僅
池
‘、|I!：；：；一≯{，，，。r=======：．。
圖2．4 微波加熱原理圖2
若不斷地快速轉(zhuǎn)換開關(guān)方向，則外加電場也迅速轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致水分子的
方向也不斷變化擺動，又因為分子本身的熱運(yùn)動和相鄰分子之間的相互
作用，使水分子隨電場變化而擺動的規(guī)則受到了阻礙和破壞，分子處于雜
亂運(yùn)動的條件下，產(chǎn)生了類似于摩擦的效應(yīng)，加速了熱能的產(chǎn)生，使水的
溫度迅速升高。外加電場的頻率越高，極性分子擺動越快，產(chǎn)生的熱量就
越多；外加電場越強(qiáng)，分子擺動振幅也越大，產(chǎn)生的熱量也越多。
假如在電容器的極板間，不是放的水，而是其它物質(zhì)，則在相同
條件下所產(chǎn)生的熱量也不同。微波加熱就是通過微波發(fā)生器產(chǎn)生一個
與上述原理相同的交替變化的外電場，使得置于微波場中的物料迅速
14
～——一． ．蘭三堊壅墮簦墮
加熱。微波的頻率屬于超高頻，如0．9 1 5GHz、2．4 5GHz等，一秒鐘
內(nèi)如此快速的變化，使極性分子擺動之快，迅速產(chǎn)生的熱量之大是可
想而知的。
所以，微波加熱是從物料內(nèi)部開始進(jìn)行的，只要～打開微波電源，
微波就以光速穿透物料并進(jìn)行加熱，當(dāng)一關(guān)掉電源，加熱過程就立刻
中止。
2．6．3 微波加熱的主要特點(diǎn)
理論和實驗都已證明，在單位體積的介質(zhì)內(nèi)所損耗的微波功率
(或單位時間內(nèi)在單位體積的介質(zhì)中所產(chǎn)生的熱)P與電場強(qiáng)度E和
頻率廠之間的關(guān)系為：
P=∞s EVtg 6 (2·1 1)
式中E一電場強(qiáng)度的有效值；
礦一物料吸收微波的有效體積，m 3；
(．)=2Ⅱf，f為微波工作頻率，HZ；
tg 6一介質(zhì)的損耗角正切，是表征介質(zhì)吸收微波能量本領(lǐng)
的一個物理量。
(1)場強(qiáng)高溫
從式1．11中可以得知，在單位體積內(nèi)介質(zhì)所損耗的微波功率(即
介質(zhì)所吸收的微波功率)P與電場強(qiáng)度E的平方成正比，因此E越
強(qiáng)，P就越大，所產(chǎn)生的熱量和溫升也就越大。利用這一特點(diǎn)可以通
過調(diào)節(jié)場強(qiáng)來控制微波加熱物質(zhì)的溫升。
(2)高頻高溫
由式l-1 l中還可知道，提高頻率，，尸也能增大，這樣在單位時
間、單位體積內(nèi)產(chǎn)生熱量和溫升也就得到提高。對某一加熱介質(zhì)而言，
其tg 6是基本固定的，要增加單位體積內(nèi)的吸收功率P，一是可增大
電場強(qiáng)度E，二是可提高頻率／。但提高場強(qiáng)E，易發(fā)生高頻擊穿。
因此在一定的擊穿場強(qiáng)條件限制時要提高吸收功率P，采取提高頻率
，．的方法是有利的。
(3)穿透力強(qiáng)
穿透能力是指電磁波穿透到介質(zhì)內(nèi)部的本領(lǐng)。一般吸收介質(zhì)的穿
透深度D大致與波長x是同一數(shù)量級，微波加熱的微波波長是厘米
15
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
級的，由幾厘米到幾十厘米。故除特大物體外，都可做到里外一起加
熱，既縮短了加熱時間，又不會造成“外焦內(nèi)不熟”的現(xiàn)象，達(dá)到加
熱均勻、減少熱損耗、提高熱效率。
(4)熱慣性小
微波管在加上燈絲電壓1 5秒后，就可加高壓，使被加熱物體瞬
間加熱。這一特點(diǎn)決定了微波加熱具有可以快速控制加熱的優(yōu)點(diǎn)，有
利于連續(xù)生產(chǎn)時實現(xiàn)自動化控制，并且比遠(yuǎn)紅外、紅外加熱節(jié)能好幾
倍的性能。
(5)選擇性加熱
在式2．1 1中，微波加熱與介質(zhì)的tg 6是密切相關(guān)的。tg 6大的
介質(zhì)便于用微波加熱，而tg 6太小的介質(zhì)就不宜采用微波加熱。這就
說明微波加熱對物質(zhì)是有所選擇的。
(6)改善操作環(huán)境與勞動條件
由于微波加熱是被加熱物質(zhì)自身開始的，而不是依靠熱傳導(dǎo)或其
它介質(zhì)(如空氣)的間接加熱，所以微波裝置本身基本上不輻射熱量；
同時不會產(chǎn)生環(huán)境高溫，可改善操作環(huán)境和勞動條件。另外還可通過
設(shè)置排出有害氣體或濕氣的設(shè)施而不影響加熱的進(jìn)行。
(7)加熱速度快
只需傳統(tǒng)方法的1／1 0—1／1 00甚至更短的時間就可以完成。
2．6．4 微波加熱裝置及工藝流程
微波加熱裝置主要由微波發(fā)生器、波導(dǎo)、物料輸送系統(tǒng)與控制系統(tǒng)等
幾部分組成，如圖2．5所示。
第二章文獻(xiàn)綜述
圖2．5 微波加熱裝鬻框圖
由磁控管與微波電源組成的微波發(fā)生器是微波加熱裝置的關(guān)鍵
部分，其主要作用是將電能轉(zhuǎn)換成微波能，進(jìn)而加熱物料；波導(dǎo)是把
微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波能量，饋送到微波能應(yīng)用器中的傳輸通道；實
現(xiàn)微波場與物料之間相互作用的空間腔體為微波發(fā)生器，微波能量在
其中被轉(zhuǎn)化成熟能、化學(xué)能等，從而使物料獲得熱量，實現(xiàn)預(yù)期的處
理；控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)微波加熱袈置的各種操作，以保證裝置的輸出
功率、輸送速度、冷卻或排汽機(jī)構(gòu)按照最佳工藝指標(biāo)自動、平衡地運(yùn)
行。
2．6．5微波加熱模式分析
所謂熱傳導(dǎo)模式包含兩個內(nèi)容：物體的吸收熱量模式和向物體傳熱模
式。前者因物料與熱源直接接觸或通過介質(zhì)來吸取熱藍(lán)，故將受制于物料
吸熱特性。特別是當(dāng)物料受到熱輻射時具有的選擇性。還與熱輻射波長有
關(guān)。后者的傳熱模式將受制于物料傳熱特性，各種物料導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值不僅
17
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
與物料種類有關(guān)，還與其相(態(tài))有關(guān)。因此干燥層與未干燥層I'B-J出現(xiàn)“熱
阻”現(xiàn)象是必然的。從遷移動力學(xué)分析，“熱阻”也包含兩個內(nèi)容：
(1)對比干燥物料前后所出現(xiàn)的導(dǎo)熱系數(shù)下降；
(2)從傳熱方向與質(zhì)量遷移方向相反所出現(xiàn)的熱量向物料里層傳遞
速率下降。比較而言，以后者更為顯著。由于它是由熱傳導(dǎo)模式引起的，
當(dāng)選定這種導(dǎo)熱模式時必然會存在這種狀況，若要攘脫這種困擾，唯有另
選加熱模式。
由電磁場理論可知，電磁波有穿透介質(zhì)的特性，其穿透深度由下列公
式表示：
D
p=
以D
2死q￡。tg 6
(2—1 2)
式中x o一～電磁波波長；
e，一～物料相對介電常數(shù)；
tg 6一一介質(zhì)損耗正切。
由式(2．1 2)知，對于一定介質(zhì)來說，D。與九。的數(shù)值是同數(shù)量級的。
或者說，電磁波對介質(zhì)穿透深度與其波長相比擬。因此，紅外線(包括遠(yuǎn)
紅外線)只能透入物料表層而很快得到衰減。而微波對介質(zhì)的穿透深度情
況就大不相同，其可達(dá)到厘米數(shù)量級。因此，微波加熱模式可以擺脫前述
導(dǎo)熱加熱模式。當(dāng)微波透射物料(介質(zhì))內(nèi)部，物料吸收微波能量并轉(zhuǎn)化
為熱量，物料得到空間性受熱。此，即微波對物料整體加熱的含義。
由此可見，微波加熱是一種嶄新的加熱模式，它為取代熱介質(zhì)加熱、
表面導(dǎo)熱的模式提供了新的途徑。本研究之所以采用微波作為加工活性炭
的熱源也正是基于此原因。
2．6．6 微波加熱技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用
微波作為一門近年來得到迅速發(fā)展與應(yīng)用的新技術(shù)，最早是隨著軍事
上的需要而出現(xiàn)的，由于微波具有頻率高、頻帶寬的特點(diǎn)，使微波獲得了
極為廣泛的應(yīng)用，遍及國防建設(shè)、科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活等各
個領(lǐng)域。微波的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是雷達(dá)和通信，而在工農(nóng)業(yè)方面主要是應(yīng)用
微波進(jìn)行加熱和測量，利用微波特有的加熱特性，作為一種新的能源對物
料進(jìn)行加熱，從而引出了一種獨(dú)特的加熱技術(shù)?微波加熱技術(shù)。微波加
熱這種節(jié)能新技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于食品加工、紡織印染、皮革加工、橡
18
第二章文獻(xiàn)綜述
膠工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、林產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)、彩印、電子工業(yè)、科學(xué)研究和家庭生
活中。
微波作為一種工業(yè)上的處理技術(shù)，早在二戰(zhàn)結(jié)束后不久既問世了。幾
十年來，微波加熱烘干或干燥卷煙、中草藥、皮革、紙張、化工產(chǎn)品等的
。技術(shù)迅速發(fā)展。但是，微波加熱用于化學(xué)反應(yīng)卻僅始于上世紀(jì)中后期。雖
然時間短，但在化學(xué)以及相關(guān)各領(lǐng)域發(fā)展很快，目前在有機(jī)合成、無機(jī)化
學(xué)反應(yīng)、材料制備、分析樣品制備、活性炭制取等方砸得到廣泛應(yīng)用。特
別是將微波處理技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境資源回收利用中，形成了一門新興交叉技
術(shù)?微波環(huán)保技術(shù)。它是針對環(huán)保領(lǐng)域中常規(guī)加熱技術(shù)速度慢、加熱不
均勻等問題，以及利用微波輻射處理的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的快速、均勻等
優(yōu)點(diǎn)來大幅提高處理效率，同時大幅降低能耗的一種節(jié)能增效技術(shù)。微波
環(huán)保技術(shù)這種特點(diǎn)使它一旦工業(yè)化就可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效
益。
目前，微波加熱技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用已有了長足的發(fā)展。以下是幾
種微波環(huán)保技術(shù)及其特點(diǎn)：
(1)土壤中有機(jī)污染物的消除
Rudolph等人研究了常壓下用微波輻射含有有機(jī)污染物的土壤，在一
些催化劑如Cu20、A1、Zn、NaOH、HCI等存在下，可使有機(jī)污染物多氯
聯(lián)苯如六氯聯(lián)苯、五氯苯酚、4．溴聯(lián)苯等降解從而消除污染。實驗表明：
降解的原因是在催化劑的作用下，土壤能被微波加熱到很高溫度，從而使
有機(jī)物污染物被氧化分解成二氧化碳、水及無機(jī)鹽類。
Geo rge等在減壓、低溫(1 00℃以下)條件下，用微波凈化了土壤中
的二甲苯，在此條件下微波輻射很容易使土壤中的甲苯和二甲苯揮發(fā)掉
(進(jìn)入吸收塔中)，并且不分解。
(2)溶液中污染物的降解
微波處理溶液中的污染物有兩種方式，一種是先將污染物吸附到活性
炭上，然后置于微波場中輻射使污染物降解；另一種是直接用微波輻射含
有機(jī)物的溶液。
Chih．Ju G．Jou和H．S．Tai采用第一種方式處理了溶液中的苯、二
甲苯及苯酚。先將污染物吸附到顆粒活性炭上，然后用微波輻射吸附有污
染物的活性炭，結(jié)果表明輻射90 s后苯、甲苯、二甲苯被完全降解成二氧
化碳、水，240 s后苯酚完全被降解成二氧化碳和水。實驗表明在微波輻
19
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
射下，活性炭粒子之間產(chǎn)生弧光并且很快變得火紅，此時溫度可達(dá)1200
℃以上，在這樣高的溫度下有機(jī)污染物很快分解成二氧化碳和水。Luigi
Campanclla等人用直接微波法對鄰-氯苯酚、間．氯苯酚、對．氯苯酚、對
氧磷等進(jìn)行了降解，并與光降解進(jìn)行了比較，取得了很好的實驗結(jié)果。
(3)氣體污染物的消除
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，二氧化硫的排放越來越嚴(yán)重。大氣中的二氧化
硫是形成酸雨的主要來源，而且對人類的身體健康有極大的危害。由于我
國是產(chǎn)煤和燃煤大國，不少煤礦含硫最又高，因此研究燃煤煙氣的二氧化
硫控制技術(shù)更具有其緊迫性。等離子法曾被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的煙氣脫
硫脫硝技術(shù)，但該技術(shù)一次性投資巨大，操作復(fù)雜，能耗極大，因而在我
國推廣應(yīng)用有一定難度。針對二氧化硫的處理，美國DOW化學(xué)工業(yè)公司
等開發(fā)了一種用炭吸附二氧化硫和氮氧化物后用微波處理使其還原為無
害的二氧化碳、氮?dú)饣蛴杏玫膯钨|(zhì)硫的技術(shù)12 41。針對我國的情況，張達(dá)
欣等人研究了微波炭還原法處理二氧化硫的技術(shù)【26】，其原理為：通過微
波放電腔將微波輻射到活性炭的表面，在微波作用下，采取吸附一加微波
一吸附一加微波的循環(huán)方式，使二氧化硫與活性炭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：
S0 2+c=cO 2+S，使二氧化硫分解為無公害的二氧化碳?xì)怏w和單質(zhì)硫。
該技術(shù)特點(diǎn)是：采用易吸收微波的活性炭為吸附劑兼還原劑，不需要
任何催化劑即可將二氧化硫分解為無害的物質(zhì)；不存在二次污染：裝置簡
單，投資成本低，使用壽命長；不存在催化荊失恬或中毒等問題；在連續(xù)
加微波時，二氧化硫去除率可達(dá)95％以上。
(4)工業(yè)含油污泥微波脫油技術(shù)
每年全球多種工業(yè)產(chǎn)生富油淤泥多達(dá)幾十億噸(我國每年為6．5億
噸)，如果采用傳統(tǒng)的分離方法和填埋方法，將耗費(fèi)巨資并占據(jù)相當(dāng)多的
填埋場地。因此富油淤泥的處理和廢油回收新技術(shù)的研究就成為一個緊迫
的全球性問題。針對這一問題，美國匹茲堡Carnegie Mellon研究所環(huán)保
研究中心的Purta等人開發(fā)了鋼廠含油淤泥的微波脫油技術(shù)。其過程為：
首先向鋼廠含油和金屬屑的淤泥中加入類似清洗劑的去乳化添加劑并混
合，然后以連續(xù)流動的方式接受微波輻射，最后離心分離該液體以分離固
體、油、水。固體可在煉鋼過程中作為原料重新使用，油可作燃料出售，
而水在回收了去乳化添加劑后可再循環(huán)使用。
研究結(jié)果表明：微波除油系統(tǒng)比常規(guī)法快30倍，系統(tǒng)體積比常規(guī)的
20
—— 苧三蘭苧壁簦壟
乳液分離系統(tǒng)小90％，大幅度降低了需要填埋處理的固體數(shù)量和費(fèi)用。對
于一個鋼廠，微波脫油處理可將處理成本降低10倍。
(5)原油淤泥的微波脫油技術(shù)
當(dāng)原油從地下被抽出時，它都含有一種可分離出大多數(shù)油料的乳液。
從地下被抽出的物質(zhì)中，含有5％的一種極其穩(wěn)定的乳液，通常只能大量
廢棄在挖掘的坑中，形成黑色的沼澤似的湖。成千上萬的這樣淤泥坑(含
有油、水、泥、沙、鹽、動物尸體、植物等)遍布全球產(chǎn)油區(qū)，有的甚至
有好幾個足球場大。而且在數(shù)量上還有增長的趨勢，其己成為一個不斷惡
化的廢物處理問題。Peters01"1等人在Purta的技術(shù)上進(jìn)一步開發(fā)了原油淤
泥的脫油技術(shù)。其過程為：首先用微波輻射原始乳液，然后再以連續(xù)流動
方式離心分離。該技術(shù)油料回收率為98％，且脫油裝置是便攜式，可用拖
車送至淤泥坑。此項技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化。
微波分離淤泥中的油、水、泥的原理是：首先，水是極性分子，而油
是非極性分子，因此水能吸收微波能升溫而油不能升溫，這種加熱的不均
勻性產(chǎn)生了溫度梯度，該梯度降低了將油水界面合在一起的表面張力的穩(wěn)
定性；其次，淤泥中將油水混在一起的天然表面活性劑，由于其一端為極
性端而另一端為非極性端，微波場中在分子級別上一端隨快速變換的電場
共振來回扭曲而另一端不動，因此產(chǎn)生了分子內(nèi)應(yīng)力，而該力破壞了油水
與表面活性劑的緊密聯(lián)系，削弱了它們保持油水界面升溫能力；最后，因
為微波引起離子遷移，它也可能輕輕搖晃乳液中的土壤微粒，使其表面帶
正電荷。微粒在外層水分子和負(fù)離子包圍下的輕輕晃動，其能在土壤／水
界面產(chǎn)生“剪切應(yīng)力”，這有助于將土壤微粒同水分離。這三種有選擇性
的能量效應(yīng)，用常規(guī)法是無法獲得的，屬于微波的非熱效應(yīng)。
(6)微波焚燒法處理廢電路板回收貴金屬技術(shù)
每年的計算機(jī)、汽車、電話、電視和其他電器產(chǎn)品中要報廢數(shù)以百萬
計的電路板，而這些電路板一旦填埋則會浸出劇毒金屬元素污染地下水，
因而其處理問題一直是個難題。
C1ark等人領(lǐng)導(dǎo)下的研究小組開發(fā)了一套使用微波能破壞印制電路板
并回收其中貴金屬的裝置。在實驗室處理中，廢電路板被壓碎，然后放入
一個熔融硅石坩鍋中，在一個內(nèi)壁襯有耐火材料的微波爐中加熱30～
60min。其中的有機(jī)物(如苯、苯乙烯等)被一股壓縮空氣載氣帶出第一
個微波爐。余下的廢料在1 000℃以下被燒焦處理。然后將微波爐功率升
21
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
高，余下的物料在1400℃的高溫下熔化，形成一種玻璃化物質(zhì)。在冷卻
這種物資后，金、銀和其他金屬就以小珠的形式分離出來，可以回收作重
新冶煉用。余下的玻璃化物質(zhì)則可回收作建筑材料。
根據(jù)研究表明：微波處理工藝簡單、清潔、易于操作、有效，而且能
顯著降低處理成本。它可將廢棄物體積減少50％，最終的玻璃化物質(zhì)將有
害物固化，能夠很好地符合環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。
總而言之，微波處理技術(shù)已成功應(yīng)用于實驗室的環(huán)境資源回收處理的
研究中。就微波環(huán)保技術(shù)而言，具有快速、高效、環(huán)境資源回收率高、省
時節(jié)能，成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著對微波作用機(jī)理研究的深入和微波環(huán)保技術(shù)
研制開發(fā)的成功，微波環(huán)保技術(shù)將逐漸從實驗室邁向工業(yè)化。
——一一一星三童墮墮查鯊塑莖重
第三章試驗方法和裝置
3．1 試驗方法
(1)爐渣殘?zhí)咳∽蚤_遠(yuǎn)解化廠，成份如表3．1所示；(2)褐煤取自
云南威信，成份如表3．2所示；其他工業(yè)廢料(以鋸末、栲膠廢料為代表)
取自云南省。
氯化鋅濃度為9 8％，磷酸為40％，鹽酸>31％，KOH>30％。上述3種
溶液均為工業(yè)級。
配制溶液和漂洗活性炭所用的水均為昆明市的自來水。
采用林業(yè)部LY2l 6．79標(biāo)準(zhǔn)測定產(chǎn)品指標(biāo)。
將爐渣殘?zhí)俊⒘淤|(zhì)褐煤、其他工業(yè)廢料分別與配制好的溶液混合浸漬
數(shù)小時后，再分別裝入微波腔體中進(jìn)行輻射，而后對輻射產(chǎn)品進(jìn)行漂洗、
烘干、粉碎、和篩分，得到粉狀活性炭。
經(jīng)本實驗探索，微波輻照廢料制取活性炭的工藝流程如圖3．1所示。
表3．1 劣質(zhì)褐煤加壓氣化爐爐渣的成份
l 項目符號單位數(shù)值
總水分Mt ％ 20．96
工
收到基水分Ma r ％ 6．66
業(yè)
收到灰分A^r ％ 43．71
分
收到基揮發(fā)份Va r ％ l 4．3 8
析
收到基固定炭Fa r ％ 3 5．2 5
I 碳C a r ％ 40．55
一兀
氫H8f ％ 0．73
素
全硫St ％ 0．51
分
氮Na r ％ 0．51
析
氧Oa r ％ 7．3 2
表3．2 劣質(zhì)褐煤的成份
} 元素C a r Ha r Na r S a r O^r War A a r
}含量(重量％) 45．61 3．14 】．2l l～2，4 14，l 5 22．19～20．79 l 2．70
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
化學(xué)原料化學(xué)原料水褐煤或工農(nóng)業(yè)廢料
【．———．一————
l
包裝
成品活性炭
圖3．1 微波輻射廢料制造制取活性炭工藝流程
從圖3．1中可看出，本項目提出的新工藝把傳統(tǒng)方法中的預(yù)熱一一干
燥一一炭化一一活化四個階段簡化為一個過程。因此，縮短了時間，減少
了設(shè)備占地面積，降低了成本和能耗。
第三章試驗方法和裝置
3．2 試驗裝置
3．2．1 反應(yīng)器的選擇
在本實驗中，反應(yīng)器的選擇是一個較為重要的問題。因為爐渣殘?zhí)恳?
求在很高的溫度才能制備出高比表面積的活性炭，因此要求反應(yīng)器首先能
耐高溫(1 ooo℃左右)：同時，還要求反應(yīng)器即能被微波穿透，又不吸收
微波，因為所需加熱的反應(yīng)物料被置于反應(yīng)器中，要使反應(yīng)物能吸收微波
從而達(dá)到升溫凈化的目的，反應(yīng)器必須對微波不產(chǎn)生阻礙作用。因此，微
波輻照制備必須選擇合適的材料來制作反應(yīng)器。
在微波條件下，對于不需要高溫條件的化學(xué)反應(yīng)，可以選擇玻璃或者
聚四氟乙烯材質(zhì)的反應(yīng)器，而對于需要高溫條件的活性炭制備過程來浼，
不能選用玻璃反應(yīng)器。研究過程中進(jìn)行了反應(yīng)器材質(zhì)選擇的實驗研究，實
驗結(jié)果顯示：將反應(yīng)物置于普通玻璃反應(yīng)器中在微波爐里進(jìn)行加熱時，普
通玻璃管在500℃左右即開始變形，此時達(dá)不到制備離比表面積活性炭的
目的，無法滿足進(jìn)一步的升溫要求。經(jīng)過實驗，可選擇決定選用石英玻璃
或陶瓷來加工再生反應(yīng)器。實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，石英玻璃反應(yīng)器不僅能
使微波穿透，也能滿足耐高溫的要求(可達(dá)1200℃)。而溫度超過1 200
℃后，石英玻璃反應(yīng)器有輕微變形，因此反應(yīng)溫度到l 200℃對，人為停
止加熱；陶瓷價格低廉，但要求退火要均勻，否則溫度下降過快，會使其
爆裂。反應(yīng)器的加工圖見附錄A。
3．2．2測溫系統(tǒng)選擇
在本實驗中為準(zhǔn)確測定活性炭在微波場中的升溫行為，必須考慮選擇
溫度量程足夠大、在微波場中不會因吸收微波而被加熱，不會影響溫度測
量的準(zhǔn)確性的溫度計。
微波場中經(jīng)常使用的濕度測量系統(tǒng)有以下幾種；
(1)帶屏蔽的熱敏電阻。這種熱敏電阻探頭的最高溫度僅略高于100
℃，把熱敏電阻插入導(dǎo)電的不銹鋼管中，再把不銹鋼管連接到爐壁的接地
銅網(wǎng)上，即可實現(xiàn)熱敏電阻的屏蔽。這種屏蔽方法已經(jīng)被證實不適合于大
多數(shù)實驗室應(yīng)用，因為探頭暴露在沒有介電吸收體充分保護(hù)的微波場中，
將會積累起足夠的電荷而產(chǎn)生電弧放電。另外，熱敏電阻的測量量程就本
研究來說太小。
(2)光纖測溫。光纖測溫系統(tǒng)由液晶傳感探頭、光纖傳輸和光檢測
2S
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
器三部分組成，基本原理是液晶在微波場中吸收微波，溫度升高，其顏色
隨溫度而變化，通過光纖的傳輸光檢測器所接受的光量也隨之變化。光纖
測溫的突出優(yōu)點(diǎn)是它不受電磁場干擾，傳輸線具有可撓性，溫度測量精度
高，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠等，但相對來說價格較貴而且溫度讀數(shù)有一定滯后
性。
(3)加屏蔽的熱電偶。普通熱電偶不能直接用于在微波場中測溫，
本實驗采用帶屏蔽的熱電偶在微波場中進(jìn)行溫度測量已取得成功。
經(jīng)過比較上述各類測溫系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，本實驗決定選用WRNK．1 3型
K型鎧裝鎳鉻一鎳硅熱電偶(0～1100℃)測溫，溫度顯示器是XMZ數(shù)顯溫
度指示儀(精度：±l℃)。
3．2．3微波輻射裝置
微波加熱裝置示意圖見圖3．2。
y／, lT
FB：反應(yīng)器，VP：真空泵，BT
lf
緩沖瓶，MW：微波爐，TC：熱電偶，MAG磁
電管，
T：閥門，F(xiàn)M：流量計
圖3．2微波加熱裝置示意圖
微波爐為WD900SL2 3．II微波爐，額定微波頻率2450MHz，額定輸出
功率為900W；微波爐頂部中央位置鉆一個相當(dāng)于反應(yīng)器直徑尺寸(26cm)
的圓孔，反應(yīng)器通過此孔插入微波爐中。熱電偶伸入反應(yīng)器內(nèi)部與反應(yīng)物
接觸，并用導(dǎo)線將熱電偶與溫控系統(tǒng)相連結(jié)。
第四章微波輻射法制取活性炭
第四章微波輻射法制取活性炭
4．1 爐渣殘?zhí)恐迫』钚蕴?
加壓氣化爐爐渣不同于一般的粉煤灰，由于含炭量離，特別是由于高
溫灼燒后，爐渣中含炭物大量燃燒，使?fàn)t渣具有結(jié)構(gòu)多孔、比表面積增大
的特點(diǎn)，本課題利用此特點(diǎn)，以開遠(yuǎn)解化廠魯奇爐爐渣殘?zhí)繛樵?，利?
殘?zhí)恳呀?jīng)在高溫炭化過的特點(diǎn)，采用微波技術(shù)活化制得活性炭；并將其作
為吸附劑處理含酚廢水，由于吸附可以在常溫下進(jìn)行，吸附工藝具有操作
方便的優(yōu)點(diǎn)，然后將吸附有有機(jī)物的殘?zhí)吭偕没蜃鳛檠h(huán)流化床鍋爐
的燃燒原料，這樣不僅將大大降低廢水處理的費(fèi)用，拓寬爐渣中殘?zhí)康膽?yīng)
用范圍，而且由于最后作為燃料，這樣避免了二次污染問題，在環(huán)境污染
的治理中具有重要的意義。
魯奇爐產(chǎn)生造氣爐渣含碳量3 5～40％，揮發(fā)份14．3 8％，低位發(fā)熱值為
1 0660～1 3850 kJ／kg，目前是低價出售給磚廠作燃料或堆存于渣場。長期
以來，如何使褐煤加壓氣化爐爐渣得以綜合剝用這一問題，一直困擾著生
產(chǎn)企業(yè)，特別是爐渣含碳量高，如何利用這部分殘?zhí)扛咧匾饬x。
4．1．1 實驗方法
本文采用KOH化學(xué)活化法，在微波爐中對加壓氣億爐爐渣殘?zhí)窟M(jìn)行
了化學(xué)活化，以制取活性炭，并考察活化參數(shù)對活性炭吸附性能的影響。
(1)活化時間的選擇
將原料粉碎在250目以下，采用浸漬法將其與KOH按t：l的比例混
合，即：先把KOH配制成一定濃度的溶液，然后把加壓氣化爐爐渣殘?zhí)?
加入到溶液中，通過浸漬將KOH附載到原料上去，接著在l 20℃下低溫
脫水，選定在不同時間進(jìn)行活化。
(2)原料與活化劑質(zhì)量比實驗
在選定的時間下，改變加壓氣化爐爐渣殘?zhí)亢蚄OH的比進(jìn)行活化。
(3)爐渣殘?zhí)坑昧康挠绊憣嶒?
在選定的時間和劑料比下，改變加壓氣化爐爐渣殘?zhí)坑觅|(zhì)量進(jìn)行活
化。
(4)活性炭的表征
27
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
(a)活性炭主要常規(guī)性能指標(biāo)測定
各種活性炭試樣的碘吸附值按《煤質(zhì)顆?；钚蕴康馕街禍y定方法》
(GB／T7702．7—87)的規(guī)定進(jìn)行分析測試。
(b)活性炭比表面積的測定
活性炭比表面的測定采用BET液氮吸附法，所用的是美國ASAP2000
比表面自動分析儀。
(5)所制活性炭對昆明某廠實際焦化廢水處理效果
焦化廢水取自昆明某焦化廠隔油后的出水，經(jīng)分析總酚368．2 5mglL，
顏色呈棕黃色，色度為1 000度，氨氮89，6 5mg／L，COD為4663．5mg／L。
廢水用聚乙烯塑料桶儲運(yùn)。廢水性質(zhì)非常穩(wěn)定，即使放置數(shù)月也不會發(fā)生
變化。
4．1．2 結(jié)果與討論
4．1．2．1 不同條件對爐渣殘?zhí)康纳郎匦袨橛绊?
(1)熱電偶測溫系統(tǒng)校正實驗
由于熱電偶有金屬外殼封裝，對傳熱有一定影響，加上熱電偶測溫時
本身有一定滯后性，為盡量縮小誤差，實驗前對熱電偶測溫系統(tǒng)進(jìn)行了校
正，校正方法如下：
將最小刻度為0．01℃的水銀精密溫度計和熱電偶同時置于食鹽水中，
然后通過電爐加熱使食鹽水溫度逐漸升高，在溫度升高過程中，不斷記錄
水銀溫度計和熱電偶測溫系統(tǒng)的溫度讀數(shù)，直至食鹽水沸騰為止。實驗結(jié)
果如表4．1。
表4．1 熱電偶測溫系統(tǒng)校正實驗結(jié)果
從表中數(shù)據(jù)可以看出使用本熱電偶測溫系統(tǒng)，所測溫度比水銀溫度計
滯后，而且相差約恒定為4℃，為此，本實驗后續(xù)實驗所測溫度都以此為
依據(jù)進(jìn)行校正，即在熱電偶測溫系統(tǒng)溫度讀數(shù)的基礎(chǔ)上加4℃作為準(zhǔn)確讀
數(shù)。如無特殊說明，本文以后所用的熱電偶測得的溫度數(shù)據(jù)均為校正之后
的數(shù)據(jù)。
(2)微波功率對爐渣殘?zhí)康纳郎匦袨橛绊?
墨璺童墮鎏塹墅鯊型塾適壁壅
在不通氣體的條件下，取1 Og爐渣殘?zhí)?，改變微波功率，通過熱電偶
測溫系統(tǒng)測定不同情況下的溫度變化情況，其結(jié)果如圖4．1所示。
1200
1000
800
p
茵600
贈
400
200
O
0 100 200 300 400 500 600
時間(s)
圖4．1 微波功率對爐渣殘?zhí)康纳郎匦袨橛绊懬€
由以上升溫圖可知，等量爐渣殘?zhí)吭谳椪諘r間相同的情況下，隨著微
波功率的增加，爐渣殘?zhí)康臏囟纫搽S著升高，450w時1 09爐渣殘?zhí)孔罡?
溫度為5 1 0℃：在700w的情況下，爐渣殘?zhí)可秊椕黠@，濕度可達(dá)820℃；
在900w的情況下，爐渣殘?zhí)可郎匮杆偾逸^為明顯，109爐渣殘?zhí)?，輻?
1 50 s時溫度即可達(dá)到l 006℃。溫度達(dá)到一定高值后。升溫趨于平穩(wěn)。
(3)爐渣殘?zhí)坑昧繉ι郎匦袨榈挠绊?
在不通氣體的條件下，取微波功率為900W，改變爐渣殘?zhí)抠|(zhì)量，通
過熱電偶測溫系統(tǒng)測定不同情況下的溫度變化情況，其結(jié)果如圖4．2所示。
^
p
V
瑙
贈
200 300 400 500
時間(S)
圖4．2 爐渣殘?zhí)坑米顚ι郎匦袨橛绊懙那€
姍
咖
啪
瑚
。
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
在相同微波功率的條件下，隨著爐渣殘?zhí)康脑黾?，爐渣殘?zhí)康臏厣?
度明顯降低，59爐渣殘?zhí)可郎乜?，?分鐘溫度為1 000℃，在4分鐘溫
度達(dá)到了1l 5 8℃(由于熱電偶的測量范圍所限，未繼續(xù)測量)；1 09爐渣
殘?zhí)可郎匾草^迅速，且升溫明顯，最高溫度可達(dá)1 006℃：1 59爐渣殘?zhí)可?
溫迅速且較為明顯，最高溫度可達(dá)860℃。溫度達(dá)到～定高值后，升溫趨
于平穩(wěn)。同一種爐渣殘?zhí)?，用量與體積成正比，爐渣殘?zhí)坑昧吭酱?，吸?
功率也越大，同時微波輸出功率一定，物料質(zhì)量過大，也能導(dǎo)致升溫速率
和最高溫度降低。
(4)氫氧化鉀的升溫行為
在不通氣體的條件下，微波功率為900W。取1 09氫氧化鉀，通過熱
電偶測溫系統(tǒng)測定不同情況下的溫度變化情況，其結(jié)果如圖4．3所示。
^
p
V
劃
贈
0 100 200 300 400 500 600
時間(暑)
圖4．3 氫氧化鉀的升溫行為曲線
在相同微波功率的條件下，109氫氧化鉀在1分半時溫度為1 20℃，4
分鐘后溫度達(dá)到l 60℃并趨于平穩(wěn)，說明氫氧化鉀對微波有弱吸收。
(5)爐渣殘?zhí)颗c氫氧化鉀混合物用量對升溫行為的影響
在不通氣體的條件下，微波功率為900W，爐渣殘?zhí)颗c氫氧化鉀按1：l
混合物，改變混合物的用量，通過熱電偶測溫系統(tǒng)測定不同情況下的溫度
變化情況，其結(jié)果如圖4．4所示a
∞
∞
∞
∞
0
2
1
1
第四章微波輻射法制取活性炭
^
p
V
劃贈
0 100 200 300 400 500
時間(s)
圖4．4 爐渣殘?zhí)颗c氫氧化鉀混合物用量對升溫行為的影響曲線
在相同微波功率的條件下，隨著混合物用量的增加，同時由于KOH
對微波有一定的弱吸收，也要分散一部分微波，這都將使?fàn)t渣殘?zhí)康臏厣?
速度明顯降低。109混合物升溫迅速，在1分鐘溫度為1 1 80℃(由于熱電
偶的測量范圍所限，未繼續(xù)測量)，209混合物升溫也較迅速升溫明顯，
最高溫度可達(dá)940℃；309混合物升溫迅速且較為明顯，但最高溫度可達(dá)
740℃。同時溫度達(dá)到一定高值后，升溫趨于平穩(wěn)。
從上述實驗結(jié)果，結(jié)合上一章研究的結(jié)果，微波加熱可以滿足采用氫
氧化鉀法利用爐渣殘?zhí)恐苽漭^高比表面的活性炭的溫度條件。
4．1．2．2 微波爐中制活性炭的條件選擇
(1)微波活化時間的確定
采用浸漬法將爐渣殘?zhí)颗cKOH按1：l的比例混合，并進(jìn)行1 20℃下
低溫脫水，在不同時間下進(jìn)行活化。結(jié)果如表4．2所示：
表4．2 最佳微波活化時間選擇
咖
喜}
咖
湖
。
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
^
巷
i餐
0 2 4 6 8 10 12 14
時間(rain)
圖4．5 微波活化時間的選擇
在微波場中，低溫脫水的原料能很快被加熱至高溫，且升溫過程中所
需的熱量全部來自于原料吸收產(chǎn)生的熱量，弼對一定質(zhì)量的含炭原料在反
應(yīng)器中，經(jīng)過一段時間后都能達(dá)到最高溫度，并趨向這一溫度，可維持恒
溫，因此在微波場中，從圖4．5可以看出，經(jīng)魯奇爐高溫炭化后的殘?zhí)浚?
在微波爐中很快就被活化，而且碘值高，說明吸附能力較好，為保證實驗
產(chǎn)品能達(dá)到預(yù)期的吸附能力，故將微波爐活化時間定為9分鐘。
(2)原料與活化劑質(zhì)量比的確定
改變爐渣殘?zhí)颗c活化劑KOH的比值，在選定的活化時間下，該比值
對所得活性炭的碘值吸附力的影響見表4．3。
表4．3 料劑比的選擇
32
第四章微波輻射法制取活性炭
≤
E
√
迥
基
O 0．2 04 0，6 0．8 1 1 2 1 4 1 6
料劑比(M殘f4：MKoH)
圖4．6 料劑比的選擇
從表中看到，對殘?zhí)縼碚f，改變殘?zhí)颗c活化劑KOH的比值對所芋導(dǎo)活性
炭的碘值吸附力有顯著影響，其關(guān)系如圖4．6所示，圖中結(jié)果表明，隨著
比值升高，碘值逐漸升高，在比值為i：0．8至l：i．2時．達(dá)到了活性炭的
國家標(biāo)準(zhǔn)，在1：1r4時由于K含量的增大，微孔被擴(kuò)孔而變成中孔或大孔，
則使得活性炭的比表面積呈現(xiàn)下降趨勢而使碘吸附值減小。
<3)爐渣殘?zhí)坑昧坑绊懙拇_定
爐渣殘?zhí)颗c活化劑KOH的比值為l：l，在選定的活化時間下，改變爐
渣殘?zhí)康挠昧?，爐渣殘?zhí)坑昧繉λ没钚蕴康牡庵滴搅Φ挠绊懸姳?．4。
表4．4爐渣殘?zhí)抠|(zhì)量的選擇
爐渣線炭用量
——一。——．．。j1．ji；．』．．。．．5 ，，．．．．．1 o、．．。．．．1 ．5 ．．．．．．2。0，。．一——2—5——— 碘值(mglg) 】082．2 1 01 5．4 830．1 78 S．2 7 5 6 4
產(chǎn)率(％) 36 40 43 3 8 44
33
昆明理一【：人=學(xué)碩士學(xué)位論文
≤
E
u
趔
越
0 5 10 15 20 25 30
爐渣殘?zhí)坑昧?g)
圖4．7 爐渣殘?zhí)坑昧康挠绊?
與其它加熱方式不同，實驗表明殘?zhí)吭谖⒉▓鲋械纳郎匦袨檫€跟放
入反應(yīng)器中的活性炭量有關(guān)。由于微波對物料的加熱屬于體積加熱，體
積越大，相同微波功率時，物料吸收的功率也越大，由于本實驗使用的
是同一種殘?zhí)浚昧颗c體積成『F比，殘?zhí)坑昧吭酱?，吸收功率也越大?
同時微波輸出功率一‘定，物料質(zhì)量過大，也能導(dǎo)致升溫速率和最高溫度
降低。從圖4．7可以看出，殘?zhí)坑昧繉λ频没钚蕴康奈侥芰τ泻艽?
影響，當(dāng)爐渣殘?zhí)苛吭? Og以內(nèi)達(dá)到了凈水用活性炭的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB／T
l 3804．92)，在1 5克時能達(dá)到了煤質(zhì)活性炭的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7701．4—87)。
4．1．2．3 微波活性炭比表面積的測定
表4．5 原渣和微波活性炭比表面積比較
綜合活化時間、料劑比、殘?zhí)苛康纫蛩?，選定9分鐘、料劑比為1：1
的條件下制備活性炭，并進(jìn)行比表面積測定。
從測定結(jié)果來看．所制活性炭的比表面積較原爐渣增大3倍，其它指
枷
呲
湖
啪
柵
垂耄
。
第四章微波輻射法制取括性炭
標(biāo)如微孔面積與微孔體積都大幅度提高，這與前面碘值的結(jié)果相一致。但
隨著活化時間增長，會造成炭的過分燒蝕引起孔壁塌陷，其孔體積和比表
面積反而減小，因此控制活化時間是制各具有較高表面積及微孔數(shù)量的活
性炭的途徑。
4．2 劣質(zhì)褐煤制取活性炭
4。2．】實驗方法
褐煤是一種低熱值的劣質(zhì)煤，以我省小龍?zhí)睹旱V褐煤資源為例．儲量
達(dá)1 0億噸。
本文采用KOH化學(xué)活化法，在微波爐中對劣質(zhì)褐煤進(jìn)行了化學(xué)活化．
以制取活性炭，并考察活化參數(shù)對活性炭吸附性能的影響，基本制備步驟
見第二章。
4．2．2 結(jié)果與討論
4．2 2 1 微波活化時間的確定
采用浸漬法將煤炭與KOH按it：I的比例混合，并進(jìn)行i 20℃下低溫
脫水，在不同時間下進(jìn)行活化。
裹4．6 微波活化時間的確定
在微波場中，低溫脫水的原料能很快被加熱至高溫，且升溫過程中所
需fi勺熱量全部來自于原料吸收產(chǎn)生的熱量，同時一定質(zhì)量的含炭原料在反
應(yīng)器中，經(jīng)過一段時間后都能達(dá)到最高溫度，并趨向這一溫度，可維持恒
溫，因此在微波場中，經(jīng)炭化后的煤炭，在微波爐中很快就被活化，而且
碘值高，說明吸附能力較好，為保證實驗產(chǎn)品能達(dá)到預(yù)期的活化時間定為
20分鐘。
4，2．2．2 劣質(zhì)褐煤用量的影響
劣質(zhì)褐煤與活化劑KOH的比值為1：1．在選定的活化時間下，改變劣
質(zhì)褐煤的用量。
昆明理r入學(xué)碩1：學(xué)位論文
表4．7 煤炭甩量對所得活性炭的碘值吸附力的影響
與其它加熱方式不同，實驗表明劣質(zhì)褐煤在微波場中的升溫行為還跟
放入反應(yīng)器中的活性炭量有關(guān)。山于微波對物料的加熱屬于體積加熱，體
積越大，相同微波功率時，物料吸收的功率也越大，由于本實驗使用的是
同一種劣質(zhì)褐煤，用量與體積成正比，劣質(zhì)褐煤用量越大，吸收功率也越
大，同時微波輸出功率一定，物料質(zhì)量過大，也能導(dǎo)致升溫速率和最高溫
度降低。劣質(zhì)褐煤用量對所制得活性炭的吸附能力有很大影響，當(dāng)劣質(zhì)褐
煤量在1 09以內(nèi)達(dá)到了凈水用活性炭的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB／T 1 3 804-92)，在l 5克
時能達(dá)到了煤質(zhì)活性炭的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 7701．4．87)。
4．3 其它廢料制取活性炭
4．3．1 鋸末制取活性炭
將工業(yè)廢棄物鋸木渣與氯化鋅溶液混合浸漬1 2小時后，裝入石英坩
堝，放迸微波腔體中進(jìn)行輻射，隨后取出經(jīng)漂洗、烘干、粉旖和篩分．
即可得到粉狀活性炭。
氯化鋅溶液濃度為50％(Wt)，廢料(干)：氯化鋅=l：2．5，微波頻
率2450MHZ，微波最大功率為900W。
微波輻射時間為8分鐘，活性炭得率4l％。所得活性炭的質(zhì)量
指標(biāo)達(dá)：亞甲藍(lán)脫色力1 8mI／0．1 g，PH6，總鐵量0．03％， 氯化物量
O 1％，灼燒殘渣1，3％。
按林業(yè)部LY2 1 6—79產(chǎn)品指標(biāo)，一級品活性炭的亞甲藍(lán)脫色力為
1 2 mI／O 1 g。相比之下，本試驗經(jīng)微波輻射鋸末后獲得的樣品的亞甲
藍(lán)脫色力為國家一級品標(biāo)準(zhǔn)的1．5倍，而且其它指標(biāo)均達(dá)到或超過國
家相關(guān)指標(biāo)。
在傳統(tǒng)的氯化鋅法制造活性炭工藝中，加熱是從原料外部開始，
經(jīng)過相當(dāng)躍的時間，才能由表及里進(jìn)行加熱，形成微孔， 4般需要經(jīng)
過預(yù)熱、干燥、炭化和活化四個階段，需要較長的時間(氯化鋅法至
少6小時)與較多的能量；而用微波輻射加熱方式，僅用8分鐘可完
—— 篁嬰蘭絲鎏塑莖鯊型墼夔絲壅
成上述四個過程，時間僅為傳統(tǒng)方法的1／4 5。
綜上所述，與傳統(tǒng)方法相比，微波輻射氯化鋅法制取活性炭，不
僅極大地縮短了時間(微波工藝所需時間僅為傳統(tǒng)工藝的1／4 5)，而
且活性炭產(chǎn)品主要質(zhì)量指標(biāo)一亞甲藍(lán)脫色力達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)(LY2 1 6—
79)一級品的1．5倍，即微波輻射下氯化鋅可制取優(yōu)質(zhì)活性炭。
微波輻射磷酸法制取活性炭的研究尚未見報導(dǎo)，本試驗研究以微
波輻射磷酸法制取活性炭，旨在改革傳統(tǒng)工藝與原料路線，為活性炭
生產(chǎn)尋求新路。
將鋸末與磷酸溶液混合浸漬1 5小塒，裝入石英坩堝，多模微波
腔體中進(jìn)行輻射，隨后進(jìn)行漂洗、烘干、粉碎和篩分，每次可制得5
克以上的粉狀活性炭。
微波輻射時間1 0分鐘，制得的活性炭得率3 5．5％?；钚再|(zhì)量指
標(biāo)：A法焦糖脫色力>1 00％，亞甲藍(lán)脫色力1 3mI／0．1 g，PH5，總鐵量
0．02％，氯化物0．0 8％，灼燒殘渣3％。以上指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)
、
(LY21 6—79)。
傳統(tǒng)磷酸法制造活性炭約需要4小時，而用微波輻射，僅用1 0分
鐘?？梢娢⒉ㄝ椛浞ㄖ迫』钚蕴?，不僅極大地縮短了時間(微波輻射
工藝所需時間僅為傳統(tǒng)工藝的1／24)，而且降低了能耗，同時樣品質(zhì)
量指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)(LY2 1 6—79)一級品的要求。
4．3．2 栲膠廢料制取活性炭
目前，國內(nèi)外大量的栲膠廢料等農(nóng)林副產(chǎn)品或廢棄物，尚未得到
合理利用。這些廢料占用場地、增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，甚至造成環(huán)境污染；
為有效保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境，從根本上解決傳統(tǒng)活性炭生產(chǎn)
的原料來源，開發(fā)利用農(nóng)林副產(chǎn)品或廢棄物，推進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展，本
研究以云南某廠栲膠廢料為原料，用氯化鋅法制取活性炭，旨在為活
性炭生產(chǎn)開辟新的原料路線。
將栲膠廢料與氯化鋅溶液混合浸潰1 5小時，裝入石英坩堝放進(jìn)
微波腔體中進(jìn)行輻射，取出后再經(jīng)漂洗、烘干、粉碎與篩分。
氯化鋅溶液濃度為50％(wt)，廢料(干)：氯化鋅=1：2．5，微波
頻率2450MHz，微波最大功率為900W。
微波輻射時間為l 3分鐘，活性炭得率為4 1％，主要質(zhì)量指標(biāo)一
37
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
一亞甲藍(lán)脫色力為1 2 mI／0．1 g， 已達(dá)到國家～級品標(biāo)準(zhǔn)。
4．3．4 其他廢料制取活性炭結(jié)果
微波照射鋸末、栲膠廢料廢棄物制取活性炭，試驗結(jié)果如表4．8
所示。
表4．8 微波輻照經(jīng)氯化鋅浸漬其他廢料制取活性炭實驗結(jié)果
微波輻產(chǎn)品含弧甲基藍(lán)脫
活性炭得產(chǎn)品產(chǎn)品含氯灰份
原料照時間鐵鼙色力
率(％) pH 靛(％) (％)
(min) (％) (Illl加．1 g)
鋸末8 41．00 7 0．03 O．1 0 1．3 1 8
}栲膠廢
1 3 3 3．40 7 0．03 0．08 2，0 1 2
『料
j國家一
f級活性5～7 ≤0．05 ≤0．2 ≤3 ≥1 2
●
i炭標(biāo)準(zhǔn)
林業(yè)部LY2 1 6．79產(chǎn)品指標(biāo)中，一級活性炭標(biāo)準(zhǔn)的亞甲基藍(lán)脫色力為
1 2mI／0．1 g，二級活性炭標(biāo)準(zhǔn)的亞甲基藍(lán)脫色力為1 0mI／0．1 g。在本實驗中，
經(jīng)微波輻射鋸末、栲膠活性炭的亞甲基藍(lán)脫色力為12～18 mI／0。l g，制取
活性炭的得炭率為1 7．27％一41％。兩者相比較j本實驗中經(jīng)微波輻射農(nóng)
林廢料制取的活性炭的亞甲基藍(lán)脫色力到達(dá)或超過了國家標(biāo)準(zhǔn)的一級品，
其中，以廢鋸末為原料制取的活性炭的亞甲基藍(lán)具有較高的脫色力．達(dá)到
1 5～1 8 mI／0．1 g，為國家標(biāo)準(zhǔn)一級品的1．25～1．5倍。
在傳統(tǒng)的活性炭生產(chǎn)中，加熱是從原料外部開始，經(jīng)過相當(dāng)長的時間
才能從表及里進(jìn)行加熱，形成微孔，一般需經(jīng)預(yù)熱、干燥、炭化和活化四
個階段，需較長的時間(氯化鋅法至少5h)，較多的能量，才能達(dá)到預(yù)期
的效果，并且操作條件較惡劣。與傳統(tǒng)活性炭工藝相比，用微波輻照法制
造活性炭工藝時，因微波具有內(nèi)部加熱和選擇性介電加熱的特性，含炭原
料本身既作為發(fā)熱體，微波又選擇性加熱含炭原料，形成了～‘個內(nèi)加熱系
統(tǒng)，因此不再需要加熱含炭原料的設(shè)各，降低了能耗，應(yīng)用該方法，僅用
微波輻照6～1 3 min就可以完成上述傳統(tǒng)工藝的徊個過程，時間僅為傳統(tǒng)
工藝的1，50～1／23，且產(chǎn)品指標(biāo)如pH、含鐵量、含氯量、荻份和駐甲基藍(lán)
38
第四章微波輻射法制取活性炭
脫色力等均達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)的一級品。
4．4 本章小結(jié)
(1) 微波輻射法利用爐渣殘?zhí)恐迫』钚蕴?，該法所制活性炭比?
面積較大和微孔發(fā)達(dá)，在指標(biāo)上已經(jīng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，其機(jī)理與高溫活化法
基本相同，方法可行，特別微波法設(shè)備簡單、生產(chǎn)時間短、能耗低，是一
種有開發(fā)前景的生產(chǎn)技術(shù)。實驗結(jié)果出可看出，溫度、加大氫氧化鉀用量，
控制活化時間，是制備具有較高表面積及微孔數(shù)量的活性炭的途徑。因此，
綜合活化溫度、活化時間、料劑比等因素，選定微波活化時間9分鐘、料
劑比為1：l可制備出較高質(zhì)量的活性炭。
(2) 微波輻射法利用劣質(zhì)褐煤制取活性炭，選定微波活化時間20
分鐘、料劑比為1：1為最優(yōu)條件，所制活性炭比表面積較大和微孔發(fā)達(dá)，
在指標(biāo)上已經(jīng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，煤基活性炭為多孔性、比表面積大的物質(zhì)，
具有較強(qiáng)的吸附能力：
(3) 微波照射．氯化鋅法(ZCMR)制取活性炭具有污染小、節(jié)能、
生產(chǎn)時間省、操作控制容易等優(yōu)點(diǎn)。所制得的其他廢料活性炭樣品指標(biāo)達(dá)
到或超過國家一級標(biāo)準(zhǔn)(LY21 6．79)，而時間僅為傳統(tǒng)氯化鋅法的
1／50～1，23或磷酸法的l／24。
39
昆明理工犬學(xué)碩士學(xué)位論文
第五章微波活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
5．1 爐渣殘?zhí)炕钚蕴吭诤訌U水處理中的應(yīng)用
5．1．1 實驗方法
實驗采用爐渣殘?zhí)炕钚蕴浚渲饕阅苤笜?biāo)如表5．1所示。
表5．1 爐渣殘?zhí)炕钚蕴啃阅苤笜?biāo)
實驗水樣為昆明某廠焦化含酚廢水。將爐渣殘?zhí)炕钚蕴吭? l 0℃下烘
干2．5h，各稱取經(jīng)烘干后的兩種活性炭不同量5個樣品于10個250mL錐
形瓶中，分別加入含酚廢水1 50mL，于20℃、35℃在恒溫振蕩器上振蕩，
振蕩速率為1 30次／min，振蕩時間為2h。平衡樣經(jīng)過濾分析溶液濃度，
計算活性炭吸附量。
苯酚濃度測定采用4一氨基安替比林直接光度法。苯酚濃度為
500mg／L。
5．1．2 含酚廢水吸附
5．1．2．1 吸附平衡時間的選擇
^
PP
√
《
140
120
100
80
60
40
20
0
0 50 100 150
l(rain)
圖5．I 20℃時的吸附速率曲線
第六章微波輻射活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
由圖5．1可以看出，在吸附溫度為20℃下，最初1小時內(nèi)吸附容量隨
時間的增大迅速上升，1小時后吸附容量上升的趨勢比較平緩，可以認(rèn)為
對苯酚的吸附主要發(fā)生在1小時以內(nèi)。為了既保證吸附荊的充分吸附，又
考慮到時間因素，吸附時間為2小時。
5 1．2．2 吸附動力學(xué)的分析
用圖4．6中測定的數(shù)據(jù)代入一級吸附動力學(xué)Lagergren方程式：
ln(A。．A)-lnA。-k。t (5—1)
式中Am、A分別為吸附達(dá)到平衡和時間t時刻的吸附量，Ka為吸附
速率常數(shù)。通過In(Am．A)對t作圖，結(jié)果表明在該條件下，吸附動力學(xué)
行為符合該方程，由直線斜率可以計算得到該條件下的Ka29 8值為0．1 26h
‘。。(如圖5．2)
3
2 5
2
1 5
1
0．5
0
．0 5
0 50 100 150
t(rain)
圖5．2 吸附動力學(xué)曲線
5．1，2．3 溶液pH值對吸附平衡的影響
實驗采用稀鹽酸與稀氫氧化鈉溶液來準(zhǔn)確調(diào)節(jié)苯酚溶液的pH值，測
定苯酚在活性炭上的平衡吸附值，研究pH值對吸附平衡的影響。實驗結(jié)
果如圖5．3所示。
一v-E《)u一
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
3 5 7 9 11
OH
圖5．3 PH對吸附的影響
從圖中可以看出，苯酚在活性炭上的平衡吸附量隨溶液pH值的增加
而增加，當(dāng)口H值為5．9～7時，溶液接近中性時達(dá)到最大值。隨著pH值的
逐步增加，溶液的堿性逐步增強(qiáng)．也就是當(dāng)pH值大于8時，苯酚的吸附
量呈明顯的下降趨勢，這說明了較高pH值條件下苯酚在活性炭上的吸附
能力下降，而且在酸性條件下的吸附量大于在堿性條件下的吸附量，同前
面改性殘?zhí)恳粯?，分子態(tài)苯酚比離子態(tài)苯酚更易被吸附。根據(jù)吸附的一般
規(guī)律，溶質(zhì)要吸附在活性炭表面上主要取決于兩種力的作用，一是活性炭
對溶質(zhì)的吸附力，二是溶質(zhì)對溶劑的親和力。活性炭表面極性很小，雨水
是極性溶劑，因此當(dāng)吸附質(zhì)以離子態(tài)存在時必然與水的親和力大而不利于
吸酣f7引。
5，l 2 4 吸附等溫線的測定
本文分別在20℃和3 5℃溫度下測定了苯酚在活性炭上的吸附平衡等
溫線如圖4．9所示。
42
{黽
瑚
m
伽
∞
D
一6，。E—mF喇跫蓮蓉
第六章微波輻射活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
0 200 400 600 800
平衡濃度Ce(mg／L)
圖5．4 活性炭吸附苯酚的吸附等溫線
實驗結(jié)果表明，在20℃時，吸附劑對苯酚的吸附效果好于3 5℃，說明
該吸附過程低溫下有利于吸附。
≤
c)
6
4
2
0
O 200 400 600 800
Ce(mg，L)
圖5．5 活性炭吸附苯酚的Langmuir方程擬合曲線
圖5．5表明，吸附等溫線滿足C／A=C／Am+1／Am+b Langmuir直線關(guān)
系，說明活性炭對苯酚的吸附規(guī)律符合Langmui r吸附方程，根據(jù)直線的
斜率和截距求出最大吸附量Am及吸附平衡常數(shù)b。其中，1／Am2斜率，
1／(Am岫)=截距。
活性炭吸附苯酚的Langmuir方程為：
43
踮∞∞∞∞∞∞柏∞0
j
1
1
^苦Ev∞F噼缽瀣營
昆明理：C大學(xué)硬士學(xué)位論文
溫度方程
一————————————————————————————————————————————————————————————一
20℃ C／A=O，0056C+0．21 91
3 5℃ C／A=0．0063C+0．369
5．1，2．5 溫度對吸附的影響
在振蕩時間為120分鐘、未調(diào)pH值(邵苯酚原樣液)，測定溫度與吸
附量的關(guān)系。如圖5．6ffi示。
9
E
V
o
295 300 305 310 315 320
T(K)
圖S．6 溫度對吸附的影響
由圖可見，在吸附過程中，溫度升高，苯酚的去除率硌交小。這可能
是由于在固體吸附溶質(zhì)的過程中都是放熱，所以無論是物理吸附還是化學(xué)
吸附，吸附量均隨溫度的升高而降低，用活性炭處理含酚廢水既有物理吸
附又有化學(xué)吸附，吸附速度快，易達(dá)到平衡。
5，2 劣質(zhì)褐煤活性炭在含鉻廢水處理中的應(yīng)用
5．2．1 實驗方法
5．2 1．I 劣質(zhì)褐煤活性炭的制取
褐煤活性炭的制取見第三章。
s．2 1．2 劣質(zhì)褐煤活性炭吸附含鉻廢水
實驗水樣取自為昆明某廠含鉻電鍍廢水。將市售’一級活性炭及自制劣
質(zhì)褐煤活性炭在l 1 0℃下烘干2．5h，各稱取經(jīng)烘干后的兩種活性炭不同量
44
{尋
伽
讎
∞
o
第六章微波輻射活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
5個祥品于1 0個2 50raL錐形瓶中，分別加入臺鉻廢水l 50mL，于20℃，
3 5℃在恒溫振蕩器上振蕩，振蕩速率為I 30次／rain，振蕩時闖為2．5h。平
衡樣經(jīng)過濾分析溶液濃度，計算活性炭吸附量。
Cr”采用分光光度法分析，光波長560ram，lcrn石英比色盈。含鉻廢
水原水濃度為162mg／L。
5．2．2 含鉻廢水吸附
5．2．2．I 吸附平衡時間的選擇
童
P
乏
0 100 200 300 400
t(min)
圖5．7 劣質(zhì)褐煤活性碳含鉻廢水吸附速率曲線
由圖可以看出，在吸附溫度為20℃和35℃下，最初l小時內(nèi)吸附容
量隨時間的增大迅速上升，I小時后吸附容量上升的趨勢比較乎緩，可以
認(rèn)為對六價鉻的吸附主要發(fā)生在1小時以內(nèi)。為了既保證吸附劑的充分吸
附．又考慮到時閾因素。吸附時闡為5小時。
由圖5，7可以看出，在吸附溫度為20℃和3 5℃下，最初120分鐘內(nèi)
吸附容量隨時問的增大迅速上升，l 50分鐘后吸附容量上升的趨勢比較平
緩，這是因為在吸附的初始階段，吸附主要發(fā)生在外表面的顆粒上內(nèi)大孔
的內(nèi)表面上，其傳質(zhì)阻力小，吸附速度快。隨著吸附進(jìn)行， 六價鉻則由
大孔經(jīng)過渡孔也深入至微孔中，其傳質(zhì)速度也按大孔一過渡孔一微孔的次
序減慢。由圖1可看出，改性煤炭對六價鉻的吸附主要發(fā)生在300分鐘
以內(nèi)，為了既保證吸附劑的充分吸附，又考慮到時間因素，吸附時間為
3 00分鐘。
45
8
7
6
5
4
3
2
1
O
—昆——明——理—工——大——學(xué)——碩—士——學(xué)——位——論——文————————————————————————————————————————————————————————————～
0
-1
孑．2
三
三13
。
一5
0 50 100 150
t(min)
圖5．8劣質(zhì)褐煤活性碳含鉻廢水吸附動力學(xué)曲線
根據(jù)吸附速率曲線圖5．8所示，用圖中測定的數(shù)據(jù)代入吸附動力學(xué)
Lagergren方程式：
In(A，一A。)=InA。一七。f (5-2)
式中Am、At分別為吸附達(dá)到平衡和時間t時刻的吸附量，ka為吸附
速率常數(shù)。通過1n(Am．At)對t作圖，如圖5．8所示，結(jié)果表明In(Am-At)
與t有良好線性關(guān)系：25℃時，相關(guān)系數(shù)R=0．9769；3 50C時，相關(guān)系數(shù)
R=0．9 522，，在不同的溫度下的吸附，服從Lagergren ‘級動力學(xué)方程，
再由斜率得到不同的td值，通過Arrhenius公式：
ln百K．2=≯E．i1一專) (5-3)
算出吸附活化能Ea列于表5．1。
表5．1 六價鉻在劣質(zhì)褐煤活性碳含鉻廢水吸附的動力學(xué)參數(shù)
5 2．2．2 pH對吸附的影響
在pH為2．5～l 1．5的范圍內(nèi)，分別配制50mL不同pH值的溶液，加
入準(zhǔn)確稱量的吸附劑，在20℃下振蕩至吸附平衡，測定六價鉻濃度，計
第六章微波輻射活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
算吸附量。
溶液中的氫離子濃度(pH)主要影響六價鉻的離子化和煤炭表面的
性能，其他．條件同吸附速率曲線，實驗采用稀鹽酸與稀氫氧化鈉溶液來準(zhǔn)
確調(diào)節(jié)六價鉻溶液的pH值，測定六價鉻在活性炭上的平衡吸附值，研究
pH值對吸附平衡的影響。得pH值對吸附效果影響如圖5．9所示。
12
—10
e詈
8
咖6
誰
蓮4
睦。S
2
O
0 2 4 6 8 10
DH
圖5．9 pI-I對吸附的影響
從圖中可以看出， 六價鉻在活性炭上的平衡吸附量隨溶液pH值的增
加而降低，當(dāng)pH值小于4時，當(dāng)pH值大子5時，六價鉻的吸附量呈明顯
的急劇下降，這說明了較高pH值條件下六價鉻在活性炭上的吸附能力較
差，在酸性條件下的吸附量遠(yuǎn)大于在堿性條件下的吸附量。
5．2．2．3 吸附等溫線的測定
在20℃和3 5℃溫度下測定六價鉻在活性炭上的吸附平衡等溫線，結(jié)果
如圖5．1 0所示。
§詈
面
叮
倒
讒茬
螫
0 50 100 150
平衡濃度ce(mg『L)
圖5．10 褐煤活性炭的吸附等溫線
47
8
7
6
5
4
3
2，0
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
分別用F reundlish等溫模型和Langmui r等溫模型刈‘實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬
合，結(jié)果表明所制活性炭對六價鉻的吸附從相關(guān)系數(shù)來看更接近于
F reundli sh等溫模式，因此選用F reundlish等溫模式描述該吸附等溫過程，
擬合過程如下：
暑E
萼
旦
0．9
0．8
0 7
0 6
o．5
04
O 3
O．2
0．1
O
．0 1
|9Ce(mg／L)
圖5．11 劣質(zhì)褐煤活性炭吸附六價鉻的F reundli sh方程擬合曲線
用Freundlish等溫模型對實驗數(shù)據(jù)處理其擬合曲線如圖5．1 1所示，
結(jié)果如表5．2所示：
表5．2 不同溫度下Freundlish等溫方程
溫度方程相關(guān)系數(shù)
20℃ qe=1．069Ceo 2”0．9849
3 5℃ qe=1．811Ceo’2”0．98
84
5．3 烤膠廢料活性炭在含鉻廢水處理中的應(yīng)用
5。3。1 實驗部分
5 3．1．1 烤膠廢料活性炭的制取
微波輻射時間為1 3分鐘，活性炭得率為3 3．4％，質(zhì)量指標(biāo)：亞
甲藍(lán)脫色力為1 2 mlt0。1 g。pH=6，總鐵量O．0 3％，氯化物量0·1％，灼
燒殘渣1．3％。
林業(yè)部LY21 6．79(7 83型)產(chǎn)品指標(biāo)中，一級活性炭標(biāo)準(zhǔn)的亞甲藍(lán)脫色
力為1 2 mL／O．1 g。兩者相比較，本實驗中經(jīng)微波輻照后的亞甲藍(lán)脫色力為
第六章微波輻射活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)一級品標(biāo)準(zhǔn)，其它指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)一級產(chǎn)品(LY2 1 6—79)
指標(biāo)。
在微波輻照下，樣品內(nèi)部迅速被加熱，由于氯化鋅和水分子急劇揮發(fā)，
造成物料有更顯著的多孔結(jié)構(gòu)，活性炭比表面積增加，從而得到較高的亞
甲藍(lán)脫色力。
5．3．1．2 烤膠廢料活性炭吸附含鉻廢水
實驗水樣為昆明某廠含鉻電鍍廢水。將市售一級活性炭及自制烤膠廢
料活性炭在1 1 0℃下烘干2．5h，各稱取經(jīng)烘干后的兩種活性炭不同量5個
樣品于1 0個2 50mL錐形瓶中，分別加入含鉻廢水1 50mL，于20℃在恒
溫振蕩器上振蕩，振蕩速率為l 30次／min，振蕩時間為1．5h。平衡樣經(jīng)過
濾分析溶液濃度，計算活性炭吸附量。市售一級活性炭及自制烤膠廢料活
性炭兩組實驗平行進(jìn)行。
cr6+采用分光光度法分析，光波長560mm，l cm石英比色皿。含鉻廢
水原水濃度為1 62mg／L。
5．3．2 含鉻廢水吸附
5．3．2．1市售一級活性炭吸附含鉻廢水．
用市售一級活性炭在20℃下，吸附濃度為1 62 mg／L的含鉻廢水，實驗
結(jié)果如表4．1所示。表5．3中數(shù)據(jù)表明，市售一級活性炭吸附含鉻廢水
后平均過濾速度為9．25 ml／L，吸附性能尚可a
表5．3 市售一級活性炭吸附含鉻廢水實驗結(jié)果
一。吸附劑量過濾速度平衡濃度c。平衡吸附量q c
序號
(g) (Ⅲf／Ⅲf")(rag／1) (mg／g)
1 1 10．1 77．6 12．66
2 1．6 9．8 5 8 1 9．74
3 2．4 9．1 48．6 7．I
4 3．2 9．2 3 8 3 5．775
5 5．1 9．5 28．2 3．94
以lgq。對lgC。作圖，可得Freundlich吸附等溫線為～贏線如圖5．1 2
所示，圖中可得直線斜率土=1．1 7。超出易吸附(當(dāng)=o．1～o．5)范圍，但低于
n Il
49
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
難吸附上限(二≥2)。吸附平衡常數(shù)K=0．081，市售一級活性炭Cr6+吸
n
附F reundlich等溫式如下：
q。=0．08lC。1" (5—4)
式中：q。一活性炭平衡吸附量，mg／g
C。一廢水Cr”平衡濃度，mg／L
P
∈
∞
璺
1 4 1．5 1 6 1 7 1 8 1．9 2
IgCe(mg／L)
圖5．12 市售一級活性炭吸附Cr6+吸附等溫線(20℃)
5．3．2．2 自制烤膠廢料活性炭吸附含鉻廢水
用自制ZCMR烤膠廢料活性炭吸附濃度為1 62mg／L的含鉻廢水，實驗
與市售一級活性炭吸附Cr6+實驗平行進(jìn)行，結(jié)果如表5，4所示。表5．4中
數(shù)據(jù)表明， 自產(chǎn)ZCMR烤膠廢料活性炭吸附含鉻廢水后平均過濾速度為
1 7．6m1／L，吸附性能性能良好。
表5．4 自制烤膠廢料活性炭吸附含鉻廢水實驗結(jié)果
(g) (mI／min) (mg／I)(mg／1)
1 1 0 1 8．2 50 1 6．8
2 1 5 1 7．8 3 1．1 1 3 1
3 2 2 1 7．6 20，2 9．67
4 3．0 1 7．4 1 1，2 7．54
5 5 1 1 7 2 3．4 4．66
50
2
1
1
9
8
7
6
5
1
1
O
0
O
O
0
第六章微波輻射活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
以lgq。對lgC。作圖，得Freundlich吸附等溫線為一直線，如圖5．1 3
所示。
IgCe(mg／L)
圖5，13 烤膠廢料活性炭吸附C r 6+吸附等溫線
圖5．1 3中直線斜率一1=O．40，屬于0．1～0．5的易吸附范圍，吸附平衡
力
常數(shù)K：2，49，烤膠廢料活性炭對含鉻廢水中Cr6+吸附Freundlich等溫
線可用下式表示：
qe=2．49Ce
O 40 (5-5)
實驗結(jié)果也表明，烤膠廢料活性炭比市售一級活性炭性能更好，吸附
Cr6+能力更高。
5．3．3．3 市售一級活性炭與烤膠廢料活性炭吸附性能比較
0 20 加60 80 100
圖5．14 市售一級活性炭與烤膠廢料活性炭吸附Cr 6+能力比較
51
3
2
1
1
9
8
7
6
L
t
1
0
0
0
0
一四『6EV叮功一
扣
侶
佃
5
O
一6／。E一。口捌讒蓮蓉
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
市售一級活性炭與烤膠廢料活性炭吸附性能比較如圖5．1 4所示。由
圖讀出市售～級活性炭達(dá)到飽和時對Cr6+的極限吸附量為1 2．5 mg／g，而
烤膠廢料活性炭高達(dá)22．5 mg／g，烤膠廢料活性炭的吸5fi=|容量是市售一級
活性炭的1．8倍。從實驗中過濾操作看，烤膠廢料活性炭吸附廢水后平均
過濾速度為1 7．6 ml／min，而市售活性炭平均為9．52 ml／min，烤膠廢料活
性炭是市售一級活性炭的1．8 5倍。因此無論從吸附容量方面還是從過濾
速度方面，烤膠廢料活性炭都明顯優(yōu)于市售一級活性炭。
5．4 鋸末活·眭炭在含鉻廢水處理中的應(yīng)用
5．4．1 實驗方法
5．4．1．1 鋸末廢料活性炭的制取
微波輻射時間為8分鐘，活性炭得率為4 1％，zCMR鋸未活性炭
與市售一級活性炭的質(zhì)量指標(biāo)如表4．3。
從表中可以看出，鋸末活性炭亞甲藍(lán)脫色力1 8 mI／0．1 g， 比表面積
9 8 l m 2／g。而其亞甲藍(lán)脫色力、比表面積分別為國家標(biāo)準(zhǔn)一級品的1．5
倍和】，5 3倍，其它指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)一級產(chǎn)品fLY21 6，79)指標(biāo)。
表5．5 市售一級活性炭與鋸末活性炭質(zhì)量指標(biāo)比較
亞甲基藍(lán)比表孔隙灼燒殘
活性炭脫色面盤
真密度總鐵氯化物
PH 渣
(mL／g) rm 2／g) (％)
(g／cm 2) (％) (％)
(％)
市售一
1 20 640 43．2 2．20 7 1．26 0．03 0 1
級
ZCMR
】80 981 45．4 2．01 7 1．3 0．0 3 O．1
鋸末
5．4．1．2 鋸末廢料活性炭吸附含鉻廢水
實驗水樣為昆明某廠含鉻電鍍廢水。將市售一級活性炭及自制鋸末廢
料活性炭在11 0。C下烘干2．5h，各稱取經(jīng)烘干后的兩種活性炭不同量5個
樣品于1 0個2 5 0mL錐形瓶中，分別加入含鉻廢水1 50mL，于20℃在恒
溫振蕩器上振蕩，振蕩速率為1 30次／min，振蕩時間為1．5h。平衡樣經(jīng)過
濾分析溶液濃度，計算活性炭吸附量。市售一級活性炭及自制鋸末廢料活
第六章微波輻射活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
性炭兩組實驗平行進(jìn)行。
C r”采用分光光度法分析，光渡長560ram，1 cm石英比色皿。含鉻廢
水原水濃度為1 62mg／L。
5．4．3 含鉻廢水吸附
5．4．3，l 自制鋸末廢料活性炭吸附含鉻廢水
用自制鋸末廢料活性炭在20℃下，吸附濃度為1 62mg／L的含鉻廢水，
實驗與市售一級活性炭吸附Cr6+實驗平行迸行，結(jié)果如表5．6所示。表
5．6中數(shù)據(jù)表明，自產(chǎn)鋸末廢料活性炭吸附含鉻廢水后平均過濾速度為
1 5．6ml／L，吸附性能性能良好。
表5。6 胄制鋸末廢料活性炭吸附含鎊廢水實驗結(jié)果
以lgq。對lgC。作圖，得F reundlich吸附等溫線為一直線，如圖5．1 5
所示。
§詈
苜
雖
1．4
1．3
1．2
1．1
1
0．9
0．8
0．7
O．6
08 1 1．2 1．4 1．6 1．8 2
IgCe(mg，L)
圖5．15 鋸末活性炭對C r6+吸附等溫線(20℃)
53
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
一一————————————————————————————————————一一
圖5．1 5中，直線斜率去=o．63，接近0．1～o．5的易吸附范嗣，吸附平行’’’ 。
衡常數(shù)K 2 1．3 8，鋸末活性炭對含鉻廢水中C r6+吸附F reundlich等溫線
可用下式表示：
qe=1．3 8C。o
63‘
(5—6)
實驗結(jié)果也表明，鋸末活性炭比市售一級活性炭性能更好，吸附C r
s+
能力更高。
5．4．3．3 市售一級活性炭與鋸末廢料活性炭吸附性能比較
25
20
一P
E 15
百
蚓
濰10
釜
留
5
0
0 20 40 60 80 100
平衡濃度Ce(mglL)
圖5．16 市售一級活性炭與鋸末廢料活性炭吸附C r 6+能+力比較(20
℃)
市售一級活性炭與鋸末活性炭吸附性能比較如圖5．1 6所示。由圖5．16
讀出市售一級活性炭達(dá)到飽和時對C r”的極限吸附量為1 2．5 mg／g，而鋸
末活性炭高達(dá)21．5 mg／g，鋸末活性炭的吸附容量是市售一級活性炭的
1．72倍。從實驗中過濾操作看，鋸末活性炭吸附廢水后平均過濾速度為
1 5．6 ml／min，而市售活性炭平均為9．52 ml／min，鋸末活性炭是市售一級
活性炭的1，64倍。因此無論從吸附容量方面還是從過濾速度方面，鋸末
活性炭都明顯優(yōu)于市售一級活性炭。
5．5 本章小結(jié)
(1) 微波輻射法利用爐渣殘?zhí)恐迫』钚蕴?，該法所制活性炭對?
第六章微波輻射活性炭在廢水處理中的應(yīng)用研究
化廢水中酚具有顯著的脫除效果。另外，殘?zhí)炕钚蕴繛槎嗫仔浴⒈缺砻娣e
大的物質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸附能力，從其對酚吸附的實驗結(jié)果表明，殘?zhí)炕?
性炭對含酚廢水的吸附符合Langmuir等溫吸附模式，并具有很好的相關(guān)
性，吸附呈單分子層形式、且吸附容易進(jìn)行；
(2) 微波輻射法利用褐煤制取活性炭，該法所制活性炭具有較強(qiáng)
的吸附能力，從其對鉻吸附的實驗結(jié)果表明，煤基活性炭對含具有較強(qiáng)的
吸附能力，從其對鉻吸附的實驗結(jié)果表明，煤基活性炭對六價鉻的吸附符
合FreUndlish等溫吸附模式，并具有很好的相關(guān)性；
(3) 微波廢料活性炭對含鉻廢水的吸附屬于易吸附過程，其吸附
容量是市售一級活性炭的1．72～1．8倍，極限吸附量達(dá)21．5～22．5mg／g：
ZCMR廢料活性炭的后處理過程方便易行，其過濾速度為市售活性炭的
1．64～1．8 5倍，為其在廢水處理中的方便、廣泛使用創(chuàng)造了有利條件。
55
昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
第六章微波輻射制取活性炭經(jīng)濟(jì)效益分析
6．1 年產(chǎn)100噸活性炭生產(chǎn)成本概算
按年產(chǎn)1 00噸活性炭進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。
6．1．1主要原料費(fèi)用
以鋸末為例。鋸末按8 0元／噸計，活性炭得率3 2，5％計算，生
產(chǎn)1噸活性炭所需鋸末費(fèi)用為：
8 0元／T×1 T／3 2，5％=246(元) (6．1)
年產(chǎn)1 0 0噸活性炭所需的鋸末費(fèi)用為：
24 6×1 O 0=2．4 6(萬元) (6—2)
B、化學(xué)原料(氯化鋅和鹽酸)
每噸活性炭消耗氯化鋅0．0 1 5噸，則每噸活性炭消耗氯化鋅
的費(fèi)用為：
0．0 l 5×5 5 00=8 2．5(元) (6—3)
每噸活性炭消耗鹽酸0．0 5 0噸，則每噸活性炭消耗鹽酸的費(fèi)
用為：
0．0 5 0×70 0=3 5(元) (6—4)
每噸活性炭消耗化學(xué)原料(氯化鋅和鹽酸)費(fèi)用共：
8 2．5+3 5=ll 7．5 r元) (6—5)
年產(chǎn)1 00噸活性炭所需的化學(xué)原料費(fèi)用為：
l 00 X I 1 7 5=1．I 75(萬元) (6·6)
6．1．2能耗費(fèi)用
按電費(fèi)O．3 0元／千瓦．小時計算，微波設(shè)備每天工作20小時，每
年正常運(yùn)轉(zhuǎn)3 00天，則年產(chǎn)l 00噸活性炭所需微波能耗費(fèi)用為：
0，3 X 20×20×3 00=3．60(萬元) (6-7)
6．1．3設(shè)備折舊費(fèi)
按年折f日費(fèi)5％，設(shè)備費(fèi)1 00萬元計，年產(chǎn)1 00盹活性炭的設(shè)備
折舊費(fèi)為：
1 0 0 X 5％=5．00(萬元) (6-8)
56
～～一一塑查差絲婆塑壁型墼適堡塑絲鯊墼墊坌塹
6．1．4生產(chǎn)、管理人員工資
按生產(chǎn)、管理人員5人，人年均工資0．8萬元計，年產(chǎn)1 0 0噸活
性炭的工資費(fèi)用為：
5×0．824．0(萬元) (6．9)
6．1．5其它費(fèi)用
按原料費(fèi)、能耗費(fèi)，折EEl費(fèi)、工資費(fèi)合計的1 0％計算，年產(chǎn)
1 0 0噸活性炭的其它費(fèi)用為：
(2．46+1．1 7 5+3．6 0+5．0 0+4．00)×l 0％=1．5 2(萬元) (6—1 0)
6．1．6生產(chǎn)總成本，
年產(chǎn)1 00噸活性炭的生產(chǎn)總成本為上述6項之和，即：
2．4 6+1．1 7 5+3．6 0+5．0 0+4．00+1．5 2=1 7．7 6(萬元) (6．1 1)
6．2 年產(chǎn)100噸活性炭的銷售收入
一級活性炭的市場價7400元／噸，年產(chǎn)l 0 0活性炭的銷售總
收入為：
740 0 x 1 0 0=74．00(萬元)
6．3 年產(chǎn)100噸活性炭的利稅收入
按銷售收入．生產(chǎn)成本計算，得：
74．00-1 7．76=56．24(萬元)
綜上所述，本項目的經(jīng)濟(jì)效益結(jié)果為：
(1) 活性炭產(chǎn)品達(dá)到或超過了國家一級標(biāo)準(zhǔn)(LY2 l 6．79)；
(2) 每年生產(chǎn)1 00噸活性炭的工業(yè)化規(guī)模試驗的年經(jīng)濟(jì)效益
可達(dá)到5 6萬元以上：
(3) 該成果可在全國、東南亞和全世界進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。年產(chǎn)100
噸活性炭的微波設(shè)備價格為50萬元，而年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到56萬元，基本
上能做到當(dāng)年收回成本；并且，國內(nèi)、東南亞以及全世界許多地方因為傳
統(tǒng)活性炭工藝流程污染嚴(yán)重而不能建廠，因此，該成果具有較大的技術(shù)轉(zhuǎn)
讓市場。
57
昆明理：I：大學(xué)碩士學(xué)位論文
結(jié)論
(1)微波輻射法制取活性炭可改變傳統(tǒng)方法中加熱過程時間長、
操作條件差、勞動強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，在制取活性炭過程中
具有污染小、節(jié)能、生產(chǎn)時間省、操作控制容易等優(yōu)點(diǎn)；對開發(fā)優(yōu)質(zhì)活
性炭生產(chǎn)新工藝具有重要的科學(xué)意義：
(2)利用微波輻射法制取爐渣殘?zhí)炕钚蕴浚摲ㄋ苹钚蕴勘缺?
面積較大和微孔發(fā)達(dá)，在指標(biāo)上已經(jīng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，其機(jī)理與高溫活化
法基本相同，但生產(chǎn)時間短、能耗低，是一種有開發(fā)前景的生產(chǎn)技術(shù)。
實驗結(jié)果表明，溫度、氫氧化鉀用量，活化時間，是制備高表面積及高
微孔數(shù)量活性炭的關(guān)鍵影響因素。綜合活化溫度、活化時問、料劑比等
因素，最佳操作條件為：活化時間9分鐘、料劑比1：1；
(3)利用微波輻射法制取褐煤活性炭，最佳操作條件與微波輻射
法制取爐渣殘?zhí)炕钚蕴炕鞠嗤苹钚蕴勘缺砻娣e較大和微孔發(fā)
達(dá)，在指標(biāo)上已經(jīng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，煤基活性炭為多孔性、比表面積大的
物質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸附能力；
(4)通過實驗室規(guī)模試驗階段所制得的其他活性炭樣品(以鋸末
等為原料)指標(biāo)達(dá)到或超過國家一級標(biāo)準(zhǔn)(LY21 6-79)，而時間僅為傳
統(tǒng)氯化鋅法的1／50～l，23或磷酸法的1／24；
(5)微波殘?zhí)炕钚蕴繉訌U水吸附的實驗結(jié)果表明，微波殘?zhí)?
活性炭具有較強(qiáng)的吸附能力，對含酚廢水的吸附符合Langmuir等溫吸
附模式，并具有很好的相關(guān)性，吸附呈單分子層形式、且吸附容易進(jìn)行：
(6)微波褐煤活性炭對鉻廢水吸附的實驗結(jié)果表明，煤基活性炭
對含具有較強(qiáng)的吸附能力，煤基活性炭對六價鉻的吸附符合Freundli sh
等溫吸附模式，并具有很好的相關(guān)性；
(7)其他廢料活性炭對鉻廢水吸附的實驗結(jié)果表明，鋸末、烤膠
活性炭對含鉻廢水的吸附屬于易吸附過程，其吸附容量是市售一級活性
炭的1．72～1．8倍，極限吸附量達(dá)21．5～22．5mg／g；
(8)微波廢料活性炭的后處理過程方便易行，其過濾速度為市售
活性炭的1．64～1．8 5倍，為其在廢水處理中的方便、廣泛使用創(chuàng)造了有
利條件；
(9)微波廢料活性炭可用于替代目前廢水處理系統(tǒng)中性能～般的
58
結(jié)論
工業(yè)級粉末活性炭，其操作性能、吸附容量超過市售一級活性炭，比工
業(yè)用活性炭更加優(yōu)越，該產(chǎn)品一旦工業(yè)化，必將以其優(yōu)質(zhì)、高效、使用
方便、原料價廉易得等優(yōu)勢在廢水處理中得到廣泛的推廣應(yīng)用。
59
墾塑墨三查堂堡主堂堡絲壅
附錄A 石英玻璃反應(yīng)器加工圖
附錄
法要求：
所有部分均用石英玻璃制成，
圖中所標(biāo)管徑為外徑：如無所標(biāo)規(guī)格管于
用近似規(guī)格的代替：粗細(xì)管聞可視加工方
盡量?。?
粗管徑，細(xì)管徑與捅距之和應(yīng)控制有34mm
下
如加工有困難，多孔隔板可不加
—— ． 蘭耋壅豎
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創(chuàng)
參考文獻(xiàn)
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昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
[92】彭金輝，寧平， 張世敏， 張利波．微波輻照農(nóng)林廢料制敬活性炭， 第十
屆仝國微波能學(xué)術(shù)會議， 2001年，上海
【9 3]彭金輝，‘r平，張利波， 張世敏，綜合利州煙桿廢料制嵌優(yōu)質(zhì)活性炭，第
十屆全國微波能學(xué)術(shù)會議， 2001年，上海
致謝
致謝
在3年多的研究生學(xué)習(xí)期間，衷心感謝導(dǎo)師寧平教授、副導(dǎo)
師陳芝清高級工程師對本人研究及論文的精心指導(dǎo)，使我能順利
地完成工程碩士階段的學(xué)習(xí)任務(wù)。兩位導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、忘
我的敬業(yè)精神和淵博的學(xué)識使我受益非淺，他們的言傳身教將使
我終生受益。
感謝昆明理工大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院彭金輝教授、張世
敏高級工程師、云南民族學(xué)院生物與化學(xué)學(xué)院王紅斌副教授、昆
陽磷肥廠潘克昌總工程師、云南亞泰環(huán)保公司曾子平總經(jīng)理、高
級工程師、黃小華高級工程師、云維集團(tuán)股份有限公司邱光佑總
工程師在論文撰寫中給我提供的各方面的支持和幫助，感謝昆明
理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院陳云華教授、林干賢老師、鄧春玲
老師、王學(xué)謙等老師在實驗過程中給予的方便和指導(dǎo)。
感謝昆明理工大學(xué)2 0 0 0級環(huán)境工程工程碩士班的全體同
學(xué)、3年多來在共同學(xué)習(xí)和工作中我們建立了深厚的感情。
感謝我的父母家人、親朋好友、各個學(xué)習(xí)階段的同學(xué)及所
有支持、幫助過我的人!
金麗娜
2 0 0 3年1 2月
工業(yè)廢料活性炭微波制取及其在廢水處理中的應(yīng)用
作者： 金麗娜
學(xué)位授予單位： 昆明理工大學(xué)
相似文獻(xiàn)(10條)
1.期刊論文張澤志.顏陽.楊發(fā)忠.蘇永慶.畢先鈞.ZHANG Ze-zhi.YAN Yang.YANG Fa-zhong.SU Yong-qing.BI Xian-jun 環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中微波能的應(yīng)用進(jìn)展研究 -云南化工2005,32(3)
綜述了環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中微波能的應(yīng)用,介紹了微波能量在廢氣處理、固體廢物處理、污水處理等方面的最新進(jìn)展,討論了微波能量在應(yīng)用過程中的特點(diǎn),并對該技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.
2.期刊論文陳芳艷.付薛紅.唐玉斌.CHEN Fan-gyan.FU Xue-hong.TANG Yu-bin 微波技術(shù)在固體廢棄物處理中的應(yīng)用 -工業(yè)安全與環(huán)保2006,32(7)
介紹了微波加熱的基本原理,綜述了微波技術(shù)在工業(yè)污泥、醫(yī)療垃圾、廢舊輪胎、電子垃圾以及建筑垃圾等固體廢棄物處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀,展望了微波技術(shù)在污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景.
3.學(xué)位論文吳小東 一種固體廢物中銅的測定研究 2009
有色金屬固體廢物資源化利用是目前資源環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但目前缺少固體廢物的相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)。本文選取某冶煉廠富含銅金屬的固體廢物作為樣品，首先采用用常規(guī)濕法消解預(yù)處理，經(jīng)分析測定，發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在很大的差異?；诖?，本研究提出應(yīng)用微波消解技術(shù)對固體廢物樣品進(jìn)行預(yù)處理。通過大量的實驗摸索及正交實驗設(shè)計，較全面地研究了影響微波
消解效果的因素，確定了影響消解效果的關(guān)鍵因素。接著，應(yīng)用實驗確定的微波消解條件對固體廢物樣品消解，結(jié)合原子吸收分光光度法測定銅的含量。最后，再與條件優(yōu)化后的常規(guī)濕法消解后測定的結(jié)果進(jìn)行比較，確定方法的可行性。主要結(jié)論為：
(1)創(chuàng)建了固體廢物樣品的監(jiān)測方法，即創(chuàng)建了微波消解預(yù)處理固體廢物樣品的監(jiān)測技術(shù)。
(2)通過微波消解的大量實驗摸索及正交實驗設(shè)計，確定了微波消解固體廢物樣品的最佳樣品取樣量、消解試劑和微波消解程序。
(3)通過微波消解的大量實驗摸索及正交實驗設(shè)計，較全面地研究了影響微波消解效果的因素，確定了樣品取樣量和消解溫度是影響消解效果的關(guān)鍵因素。
(4)實驗通過與條件優(yōu)化后的常規(guī)濕法消解的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較，兩種處理方法無顯著性差異，微波消解法可以替代常規(guī)濕法消解。尤其適用于大批量的樣品消解。
(5)微波消解技術(shù)應(yīng)用于固體廢物樣品的預(yù)處理，大大提高了消解速度，節(jié)約了酸的用量，減少了酸霧對工作人員和環(huán)境的危害，改善了工作條件，降低了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。此方法具有一定的先進(jìn)性和優(yōu)越性，值得推廣。
4.會議論文李偉.季天仁.崔瑞禎.李水清.劉剛微波等離子體處理危險廢物技術(shù) 2005
社會經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展帶來的重大問題之一是各種廢物的大幅度增長.有毒有害危險廢棄物的處理已成為各國政府頭痛的大問題,也是關(guān)系到人類發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的難題.等離子體廢物處理系統(tǒng)為解決這一難題提供了最先進(jìn)的技術(shù)和解決方案.等離子體既可用于處理廢氣又可用于處理廢水、固體廢物、污泥、甚至放射性廢物.本文主要介紹等離子體處理固體危險廢
物,如醫(yī)療垃圾等.
5.學(xué)位論文劉帥 微波改性固體廢棄物處理低濃度煙氣的研究 2008
本文以精煉爐渣、粉煤灰和硼泥為原料制備吸收劑，在試驗研究的基礎(chǔ)上，論證了精煉爐渣和粉煤灰作為一種新型吸收劑的可行性，并且研究了若干因素對脫硫脫氮效率的影響。在微波場測溫方面，本文簡述了微波加熱的機(jī)理與特點(diǎn)，綜述了目前已經(jīng)實現(xiàn)的微波場中溫度測量的方法，并進(jìn)行了優(yōu)劣性比較，提出一種微波場溫度測量技術(shù)，實際制作了改進(jìn)型的熱電
偶，實驗結(jié)果表明：該改進(jìn)措施有效、可行。
本實驗在最佳實驗條件下，脫硫效率和脫氮效率分別達(dá)到了68.10％和67.50％。利用掃描電鏡和能譜儀對吸收劑以及反應(yīng)后產(chǎn)物的微區(qū)形貌和表面成分進(jìn)行了分析，并采用化學(xué)分析方法對二氧化硫和氮氧化物的脫除產(chǎn)物進(jìn)行了成分分析。結(jié)合實驗結(jié)果，論文對吸收劑在微波作用下的脫硫脫氮機(jī)理進(jìn)行了探討。
本研究為精煉爐渣、粉煤灰和硼泥的資源化利用提供了又一途徑，同時實現(xiàn)了以廢治廢，為精煉爐渣、粉煤灰和硼泥用作吸收劑提供了初步的技術(shù)方案，對保障我國固體廢物資源化利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。資料顯示：目前尚未見到國內(nèi)外以精煉爐渣、粉煤灰和硼泥作為脫硫脫氮劑在微波作用下進(jìn)行煙氣處理實驗的研究報道，本文進(jìn)行的初步探討為
精煉爐渣、粉煤灰和硼泥資源化的利用提供了基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)。
6.會議論文武偉男 污水污泥微波高溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)研究 2008
當(dāng)前，污泥無害化和資源化是污泥處理研究的熱點(diǎn)。采用活性炭作為微波能吸收物質(zhì)促進(jìn)污泥的微波高溫?zé)峤猓瑢ξ勰辔⒉ǜ邷責(zé)峤庥皖惍a(chǎn)物的安全性進(jìn)行評價。污泥微波高溫?zé)峤鉁囟冗_(dá)到900度，采用GC-MS對油類產(chǎn)物組分進(jìn)行分析，確定其中脂肪烴、苯系化合物，多環(huán)芳烴(PAHs)、含氧化合物的平均百分含量分別為40％、14％、5.2％、2.5％，而且有害成分只
占O.42％。微波高溫?zé)峤馕勰嘤皖悷嶂悼蛇_(dá)到37.5MJ/kg，與柴油類似?？梢姡何⒉峤馕勰嘤皖惍a(chǎn)物熱值較高、有害物質(zhì)含量低，可用作燃料;同時還含有大量可回收利用的工業(yè)原料。因此，污泥微波高溫?zé)峤馐俏勰噘Y源化非常有效的方式。
7.學(xué)位論文石磊 微波改性固體廢棄物處理低濃度煙氣的基礎(chǔ)性研究 2007
大氣是人類賴以生存的最基本的環(huán)境要素，由煤、石油、天然氣等石化燃料的燃燒產(chǎn)生二氧化硫(SO2)和氮氧化合物(NOx)等氣體污染物所引起的酸雨、化學(xué)煙霧和臭氧層破壞等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，使得大氣污染成為人類社會生存和發(fā)展所面臨的最嚴(yán)重的問題之一，成為影響和制約我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的重要因素。在我國現(xiàn)有的脫硫脫硝技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)更加
適合我國國情和環(huán)?，F(xiàn)狀的煙氣脫硫脫硝技術(shù)是實現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)政策的重要手段。
本文以精煉爐渣、粉煤灰為原料制備吸收劑，在試驗研究的基礎(chǔ)上，論證了精煉爐渣和粉煤灰作為一種新型吸附劑的可行性，并且研究了若干因素對脫硫脫硝的影響。在最佳實驗條件下，脫硫效率和脫氮效率分別達(dá)到了65.87﹪和65.02﹪。利用掃描電鏡和能譜儀對精煉爐渣和粉煤灰以及反應(yīng)后產(chǎn)物的微區(qū)形貌和表面成分進(jìn)行了分析。結(jié)合實驗結(jié)果，論文對吸附劑
在微波作用下的脫硫脫氮機(jī)理進(jìn)行了探討。
本研究為精煉爐渣和粉煤灰的資源化利用提供了又一途徑，同時實現(xiàn)了以廢治廢，為精煉爐渣和粉煤灰用作吸附劑提供了初步的技術(shù)方案，對保障我國固體廢物資源化利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。資料顯示：目前尚未見到國內(nèi)外以精煉爐渣和粉煤灰作為脫硫脫氮劑在微波作用下進(jìn)行煙氣處理試驗的研究報道，本文進(jìn)行的初步探討為精煉爐渣和粉煤灰資
源化的利用提供了基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)。
8.期刊論文黃智偉.王憲.邱海源.陳麗丹.曾敏.HUANG Zhi-wei.WANG Xian.QIU Hai-yuan.CHEN Li-dan.ZENG Min 土壤重金屬含量的微波法與電熱板消解法測定的應(yīng)用比較 -廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2007,46(z1)
電熱板消解作為常規(guī)環(huán)境樣品(如土壤、廢水、固體廢物等)預(yù)處理方法,存在著耗時、耗材且操作復(fù)雜等缺點(diǎn).本文就微波和電熱板兩種消解方式在測定土壤重金屬中的應(yīng)用進(jìn)行了科學(xué)分析.研究結(jié)果表明,采用兩種消解方式測得的Ni、Cu和Cd結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值的范圍之內(nèi),Cr和Pb的結(jié)果均低于最低值,Zn用微波消解測得的值也在允許值范圍內(nèi).微波消解的結(jié)果總體上比較
接近標(biāo)準(zhǔn)值.在回收率和精密度基本一致的情況下,微波消解以具有速度快、試劑用量少、樣品不易被玷污、節(jié)約能源等突出優(yōu)點(diǎn),使其更具廣泛的應(yīng)用潛力.
9.期刊論文雍興躍.王萬福.張曉飛.劉曉輝.王際東.Yong Xingyue.Wang Wanfu.Zhang Xiaofei.Liu Xiaohui.Wang Jidong 含油污泥資源化技術(shù)研究進(jìn)展 -油氣田環(huán)境保護(hù)2010,20(2)
含油污泥資源化技術(shù)的研究,應(yīng)該重視多種熱源熱解技術(shù)開發(fā),包括微波熱解技術(shù)的研究.文章著重對含油污泥熱解技術(shù)的研究進(jìn)行了總結(jié),包括微波熱解技術(shù)的進(jìn)展情況.研究得出:熱解技術(shù)有望在固體廢物處置及其資源化、有機(jī)質(zhì)熱解作低碳能源等方面發(fā)揮越來越重要的作用.開展含油污泥資源化研究,對解決我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展過程中面臨的能源短缺和環(huán)境挑戰(zhàn)
問題具有重要意義.
10.期刊論文周小霞.胥江河.李明川.賀錫中.ZHOU Xiao-xia.XU Jiang-he.EI Ming-chuan.HE Xi-zhong 廢棄羽毛資源化利用研究進(jìn)展 -重慶工商大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2008,25(3)
綜述了廢棄羽毛資源化利用的方式和途徑,對微波法促進(jìn)廢羽毛制備氨基酸及資源化利用進(jìn)行了展望.指出了改善即時控制,加強(qiáng)微波化學(xué)反應(yīng)及機(jī)理的研究,并繼續(xù)羽毛水解后固體廢物的資源化利用是其主要研究發(fā)展方向.
本文鏈接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y669320.aspx
授權(quán)使用：上海海事大學(xué)(wflshyxy)，授權(quán)號：60393e63-6ea8-45f8-921b-9e040015bd8d
下載時間：2010年10月3日

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