（環(huán)境工程專業(yè)論文）微波誘導(dǎo)氧化工藝在難降解有機(jī)廢水中的應(yīng)用研究.pdf

武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 頁(yè) 摘要 微波誘導(dǎo)氧化技術(shù)是一種新型的水處理技術(shù)，其關(guān)鍵是新型催化劑的制備。該法具 有處理速度快、反應(yīng)徹底、無(wú)二次污染、占地面積小、不需要鋪設(shè)大量管道、基建費(fèi)用低、 操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域發(fā)展迅速。與此同時(shí)，微波誘導(dǎo)氧化技術(shù)與其他氧化技術(shù) 聯(lián)合處理在水處理領(lǐng)域也是研究的熱點(diǎn)之一。 本文采用分步沉淀包裹法制備了微波誘導(dǎo)催化劑f e 2 0 3 a 1 2 0 3 ?？疾炝酥苽涔に噷?duì)催 化劑性能的影響，同時(shí)采用s e m 分析技術(shù)，考察了催化劑的表面結(jié)構(gòu)及形貌。在微波誘 導(dǎo)氧化水處理工藝中，以甲基橙模擬廢水為目標(biāo)降解物，考察了處理?xiàng)l件對(duì)催化劑活性的 影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在最佳處理?xiàng)l件下，催化劑對(duì)3 0 m g l 的甲基橙模擬廢水的脫色率 可達(dá)9 9 1 ，且催化劑使用前后其表面未見大的改變。此外將該催化劑用于考察對(duì)實(shí)際焦 化廢水的c o d 及t o c 的降解情況，在最佳處理?xiàng)l件下，均取得了較好的處理效果。并 使c o d 達(dá)到鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)( g b l 3 4 5 6 9 2 ) 的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。 采用微波與鐵炭?jī)?nèi)電解聯(lián)合技術(shù)處理甲基橙模擬廢水，考察了微波場(chǎng)中鐵炭碳質(zhì)量 比、鐵炭投加量、微波功率、微波時(shí)間、溶液初始濃度及原水p h 值等工藝條件對(duì)甲基橙 模擬廢水脫色率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)鐵炭質(zhì)量比為2 、鐵炭投加量為3 9 、微波功率 為9 0 0 w 、微波處理時(shí)間為5 m i n 時(shí)，處理5 0 m l 濃度為3 0 m g l 的甲基橙廢水，其脫色率 達(dá)9 2 2 。且通過(guò)對(duì)各種處理方法比較可知，采用鐵炭混合物構(gòu)成內(nèi)電解作用比單獨(dú)活性 炭對(duì)甲基橙模擬廢水色度的去除率明顯提高；在微波場(chǎng)中微波起到了強(qiáng)化內(nèi)電解的作用， 它不僅促進(jìn)了活性炭的再生與活化，而且加快了鐵炭混合物表面以及吸附在活性炭中的染 料分子的降解。 關(guān)鍵詞：微波誘導(dǎo)氧化技術(shù)；甲基橙模擬廢水；焦化廢水；鐵炭?jī)?nèi)電解 第1 i 頁(yè)武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t m i c r o w a v e i n d u c e do x i d a t i o np r o c e s s ( m i o p ) i san e wk i n do fw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rt r e a t m e n ts p e e d ，t h o r o u g ho x i d a t i o n ，n o s e c o n dp o l l u t i o n ，s m a l l e rc o v e r i n ga r e a , n om o r ep i p e l i n e s ，l o w e r c o s t ，s i m p e rs e t u pa n do p e r a t i o n o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si sn e wt y p ec a t a l y s ta d o p t i o n i nt h ew a t e rt r e a t m e n tf i e l dm i o pd e v e l o pf a s t n o w , c o m b i n e dt r e a t m e n to fm i c r o w a v e i n d u c e do x i d a t i o nt e e h n o l o g ya n do t h e ro x i d a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e no n eo fh o ts p o t si nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i nt h i sp a p e r , m i c r o w a v e - i n d u c e d c o m p o s i t ec a t a l y s tf e 2 0 3 a 1 2 0 3w a sp r e p a r a t e db y f r a c t i o n a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o d t h ee f f e c t so nt h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo f p r e p a r i n gc o n d i t i o n sw e r e c o n s i d e r e d s t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo fc a t a l y s tw e r ea n a l y s e dt h r o u g hs e m t h et r e a t i n g c o n d i t i o n so fw a s t e w a t e rw e r es t u d i e db yd e g r a d a t i o no ft h em e t h y lo r a n g ew a s t e w a t e ri n m i o e t h er e s u l t ss h o wt h a td e c o l o r i z a t i o nr a t eo f3 0 m g lm e t h y l o r a n g ew a s t e w a t e ri s 9 9 1 ，a n d t h es t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo fc a t a l y s t w e r en o tc h a n g e da f t e ru s e d i n a d d i t i o n ，b e t t e re f f e c ti sa c h i e v e dw h i l ec a t a l y s tw a su s e dt ot r e a t e o k i n gw a s t e w a t e rb y d e g r a d a t i o no fc o da n dt o c a n dc o dh a sb e e na c h i e v e dt h ef i r s te m i s s i o ns t a n d a r d s a c c o r d i n gt h e ”i r o na n ds t e e li n d u s t r y w a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d ”( g b13 4 5 6 9 2 ) m i c r o w a v ea n di r o n - c a r b o ni n t e r n a le l e c t r o l y s i sj o i n tt e c h n i c a lw e r eu s e dt ot r e a tm e t h y l o r a n g es i m u l a t e dw a s t e w a t e r i nt h ep r o c e s so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h ee f f e c t so fr a t i oo f i r o n c a r b o n ，i r o n - c a r b o nd o s a g e ，m i c r o w a v ep o w e r , m i c r o w a v et i m e ，w a t e rp hv a l u ea n dw a t e r c o n c e n t r a t i o nw e r ec o n s i d e r e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o l o rr e m o v a lo fm e t h y l o r a n g ew a s t e w a t e r ( 3 0 r a g l ) i s9 2 1 w h e nt h er a t i oo fi r o n - c a r b o ni s2 , i r o n - c a r b o nd o s a g ei s 3 9 , m i c r o w a v ep o w e ri s9 0 0 wa n dm i c r o w a v et i m ei s5m i n a n dw ec a l la l s oc o n c l u d et h a tt h e c o l o rr e m o v a lo fm e t h y lo r a n g ew a s t e w a t e rh a sb e e ni m p r o v e dw h e ni r o n - c a r b o ni n n e r e l e c t r o l y s i sw a su s e db u ts i n g l ec a r b o n i nt h em i c r o w a v ef i e l di r o nh a se n h a n c e di n n e r e l e c t r o l y s i s ，a n di r o nc a nn o to n l yp r o m o t et h er e g e n e r a t i o na n da c t i v a t yo fa c t i v a t e dc a r b o n ，b u t a l s oa c c e l e r a t et h ed e g r a d a t i o no fd y em o l e c u l e sw h i c ha d s o r b e do nt h es u r f a c eo ft h e i r o n - c a r b o nm i x t u r ea n da c t i v a t e dc a r b o n k e y w o r d s ：m i c r o w a v ei n d u c e do x i d a t i o np r o c e s s ( m i o p ) ；m e t h y lo r a n g ew a s t e w a t e r ；c o k i n g w a s t e w a t e r ；i r o n - c a r b o ni n t e r n a le l e c t r o l y s i s 武漢科技大學(xué) 研究生學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研 究所取得的成果。除了文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容或?qū)俸献餮芯抗餐瓿傻?工作外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 論文作者簽名：篷墊堅(jiān)日期：翻：! 蘭：皇 研究生學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)聲明 本論文的研究成果歸武漢科技大學(xué)所有，其研究?jī)?nèi)容不得以其它單位 的名義發(fā)表。本人完全了解武漢科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門( 按照武漢科技大學(xué)關(guān)于研究生學(xué)位論文收錄 工作的規(guī)定執(zhí)行) 送交論文的復(fù)印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱， 同意學(xué)校將本論文的全部或部分內(nèi)容編入學(xué)校認(rèn)可的國(guó)家相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行 檢索和對(duì)外服務(wù)。 論文作者簽名：超塾堅(jiān) 指導(dǎo)教師簽名：墟鏖趨 日 武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 頁(yè) 第一章緒論 1 1 課題來(lái)源及研究的目的和意義 1 1 1 課題來(lái)源 湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目( d 2 0 0 7 11 0 0 7 ) 。 1 1 2 研究目的和意義 水是人類生存不可或缺的寶貴資源，它是地球上一切生物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)， 沒(méi)有水就沒(méi)有生命。而在社會(huì)日益發(fā)展的今天，水資源卻成為最短缺的重要資源之一。 據(jù)水文地理學(xué)家的估算，地球上的水資源總量約為1 3 8 億立方公里，其中9 7 5 是海 水。淡水只占2 5 ，其中絕大部分為極地冰雪冰川和地下水，適宜人類享用的僅為 0 0 1 。 2 0 世紀(jì)5 0 年代以后，全球人口急劇增長(zhǎng)，人類對(duì)水資源的需求日益增多。且隨著 工業(yè)化步伐的加快，工業(yè)尤其是重工業(yè)迅速發(fā)展。然而在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)卻給環(huán) 境尤其是水資源帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)，各種各樣的污染物都排向了水體，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了水 體的承載力，且其中一些污染物屬于難生物降解或有生物毒性的物質(zhì)，造成水體環(huán)境 嚴(yán)重惡化且富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅影響環(huán)境美觀，更重要的是使得大量的水體不復(fù) 人類利用，造成水資源嚴(yán)重匱乏。這種情況對(duì)于人口眾多且正處于工業(yè)化高速發(fā)展的 中國(guó)來(lái)說(shuō)尤為嚴(yán)重。中國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家。淡水資源總量為2 8 0 0 0 億立方 米，占全球水資源的6 ，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均水資 源占有量?jī)H有2 2 0 0 立方米，為世界平均水平的l 4 、美國(guó)的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位， 是全球1 3 個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一?？鄢y以利用的洪水涇流和散布在偏遠(yuǎn)地 區(qū)的地下水資源后，中國(guó)現(xiàn)實(shí)可利用的淡水資源量則更少，僅為1 1 0 0 0 億立方米左右， 人均可利用水資源量約為9 0 0 立方米，并且其分布極不均衡。到2 0 世紀(jì)末，全國(guó)6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多個(gè)城市存在供水不足問(wèn)題，其中比較嚴(yán)重的缺水城市達(dá)1 1 0 個(gè)，全國(guó)城市缺水總量為6 0 億立方米【l 】。據(jù)監(jiān)測(cè)，目前全國(guó)多數(shù)城市地下水均受到一 定程度的污染，且仍呈現(xiàn)加重的趨勢(shì)，水體污染是我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺的主要原因之 一。日趨嚴(yán)重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進(jìn)一步加劇了水資源短缺與用水 量日益增大的矛盾，對(duì)中國(guó)正在實(shí)施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來(lái)了嚴(yán)重影響，而且還嚴(yán)重 威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。因此，廢水處理尤其是難生物降解有 機(jī)廢水的處理已經(jīng)到了刻不容緩的地步。 1 2 難降解有機(jī)廢水概況 難降解有機(jī)廢水是指被微生物分解時(shí)分解速度很慢或者不能被微生物分解，且如果 可以被微生物分解，但又不能徹底分解的，廣泛地存在于化工、印染、制藥等行業(yè)的廢 水【2 j 。難降解污染物易在生物體內(nèi)富集，也容易成為水體中的潛在污染源。目前，隨著 石油化工、塑料、合成纖維、焦化、印染等工業(yè)迅速發(fā)展，各種各樣含有大量難生物降 第2 頁(yè)武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 解有機(jī)污染物的廢水也相應(yīng)增多，其主要污染物為有機(jī)氰化物、脂肪族和氯代脂肪族類 化合物、芳香族和含非鹵代官能團(tuán)的鹵代芳香族化合物】。 1 2 1 難降解有機(jī)廢水的來(lái)源及特點(diǎn) 水污染主要是生活工業(yè)廢水、生活廢水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水所帶來(lái)的污染，隨著工農(nóng)業(yè) 的快速發(fā)展，人們合成了越來(lái)越多有機(jī)工業(yè)品，這在很大程度上豐富和發(fā)展了人類的文 明，但同時(shí)這些有機(jī)工業(yè)品中難降解的有機(jī)物占了很大的比例，如果這些物質(zhì)不加任何 處理的向水體中排放，就不僅僅是水資源的污染浪費(fèi)問(wèn)題，勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境和人類的健康 及生存造成極大地威脅。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)難降解有機(jī)廢水的綜合治理都予以高度重視。 一般，此類廢水一般具有以下幾方面的特性： ( 1 ) 組成復(fù)雜，污染物濃度高。含有各種有機(jī)酸、醛、醉、酮、酷、醚、表面活性 劑及有機(jī)溶媒等物質(zhì)，其b o d 、c o d 很高，有的甚至高達(dá)幾萬(wàn)或者幾十萬(wàn)m g l 。化 工原料和產(chǎn)品中通常都包括含較多氮、磷等的化合物，甚至排放的廢水中還含有石油類 的物質(zhì)，進(jìn)一步增加了廢水的處理難度和復(fù)雜性【6 7 】。如抗生素廢水是一類成分較復(fù)雜、 色度高，同時(shí)含微生物難以降解、甚至對(duì)微生物有抑制作用的物質(zhì)的難降解廢水。廢水 中的殘留的抗生素和溶媒對(duì)微生物具有一定程度的抑制作用，同時(shí)抗生素廢水中還含有 一些中間代謝產(chǎn)物、表面活性劑和提取分離中殘留的高濃度酸、堿和有機(jī)溶劑等原料， 其成分復(fù)雜，極易引起p h 變化，影響生化效果，屬于難處理的工業(yè)廢水。 ( 2 ) 難生物降解物質(zhì)含量較多，毒性大。如很多污水中含有一些芳烴及其衍生物， 其中的很大一部分會(huì)損害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，危害造血器官和生殖系統(tǒng)。 ( 3 ) 水質(zhì)、水量不穩(wěn)定。尤其是化工類污水，其生產(chǎn)很多是有間歇性的，排放的廢 水隨著時(shí)間的變化變化很大且水質(zhì)成分復(fù)雜、色度深、有毒物含量較高，屬于高難度處 理的污水 ( 4 ) 有的廢水中含鹽量很高。如在藥品生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高鹽度、高濃度有 機(jī)廢水，其中不僅包含了大量的鹽類物質(zhì)，而且還有大量的有毒有害難生物降解有機(jī)物 ( 如硝基類、芳香類和烴類等有機(jī)化合物) 。 ( 5 ) 廢水含污濃度加大。隨著水資源的匱乏，企業(yè)的節(jié)水意識(shí)日益強(qiáng)烈，導(dǎo)致廢水 的含污濃度進(jìn)一步加大，水質(zhì)的成分也越來(lái)越復(fù)雜。 1 2 2 難降解有機(jī)廢水的危害 難降解有機(jī)物質(zhì)總體來(lái)說(shuō)具有如下特點(diǎn)：難以降解或者根本不能降解，在環(huán)境中 逐漸富集，具有長(zhǎng)期殘留性；具有生物的積累性；具有“三致 作用或毒性【8 】。它 們不僅僅危害著環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)人體健康造成極大的威脅。主要表現(xiàn)為以下幾 個(gè)方面： ( 1 ) 危害人體健康：水污染直接影響著飲用水源水質(zhì)。當(dāng)飲用水源受到一定程度的 合成有機(jī)物污染時(shí)，原有的水處理廠不能再保證飲用水的品質(zhì)安全可靠，這將會(huì)導(dǎo)致如 腹瀉、腹痛、肝炎、胃癌、肝癌等許多疾病的產(chǎn)生。且與不干凈的水接觸也可能會(huì)染上 如皮膚病、沙眼等類的疾病。另外，環(huán)境污染也可能導(dǎo)致雌激素的增加，這直接影響著 武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第3 頁(yè) 人類的繁殖能力；還有報(bào)道指出水污染會(huì)造成自然流產(chǎn)或是先天性殘疾?？傊?，水體污 染對(duì)人體健康的危害是不容置疑的。 ( 2 ) 造成水資源的浪費(fèi)：水體污染使得許多水資源不可再被人類利用，這是許多地 區(qū)嚴(yán)重缺水的最主要的原因，對(duì)中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略造成了很大的影響。 ( 3 ) 加速生態(tài)環(huán)境的退化和破壞：水污染造成的水質(zhì)惡化，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響更是 十分嚴(yán)峻。水污染除了對(duì)水體中魚類和水生物造成危害外，對(duì)水體周圍的生態(tài)環(huán)境的影 響也是一個(gè)重要的方面。污染物在水體中形成沉積物，對(duì)水體生態(tài)環(huán)境也有直接的影響。 ( 4 ) 造成經(jīng)濟(jì)損失：水污染對(duì)水資源浪費(fèi)、人體健康、漁業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)以及生 態(tài)環(huán)境等的負(fù)面影響，都會(huì)直接表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)損失。例如，人體的健康受到危害將減少勞 動(dòng)力，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，疾病多發(fā)需要支付更多的醫(yī)藥費(fèi)；對(duì)于工農(nóng)業(yè)漁業(yè)產(chǎn)量和質(zhì)量 的影響更是直接的經(jīng)濟(jì)損失；對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞意味著對(duì)環(huán)境污染治理的需求將會(huì)大幅 度的增加。 因此，為了減少難降解有機(jī)廢水對(duì)生態(tài)環(huán)境、人類健康和水資源等各方面的危害， 促進(jìn)人類與社會(huì)的和諧發(fā)展，對(duì)難降解有機(jī)廢水的快速有效的處理顯得至關(guān)重要。而處 理難降解有機(jī)廢水，主要是降低其有機(jī)物的濃度使達(dá)標(biāo)排放、去除色度、去除廢水毒性 或者降低其生物毒性至生態(tài)環(huán)境可接納的水平。常見的難降解有機(jī)污染物的種類和危害 如表1 1 所示。 表1 1 常見難降解有機(jī)污染物的種類和危害f 9 1 難降解有機(jī)物危害 多環(huán)芳烴類化合物 雜環(huán)類化合物 有機(jī)氰化合物 合成洗滌劑 多氯聯(lián)苯 增塑劑 合成農(nóng)藥 合成染料 性質(zhì)穩(wěn)定，致癌性強(qiáng) 性質(zhì)穩(wěn)定，生物富集，具有致突變、致癌作用 劇毒物質(zhì) 發(fā)泡，影響生物處理效果且對(duì)多環(huán)芳烴具有增溶作用 通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體產(chǎn)生急性中毒和致癌作用 穩(wěn)定性強(qiáng)，對(duì)人體中樞神經(jīng)具有抑止作用 對(duì)人體具有毒性及致癌作用 色度高，有毒性且致癌 1 2 3 難降解有機(jī)廢水的主要處理方法 長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)難降解污染有機(jī)物的治理都是國(guó)內(nèi)外廢水處理的難點(diǎn)和研究的焦點(diǎn)。 其常用的處理方法大多為：物化法、生物法、催化氧化法等處理技術(shù)。 1 2 3 1 物化法 物化法處理一般作為生物處理工序的預(yù)處理【1 0 1 ，它可以去除部分污染物，但對(duì)于提 高廢水的可生化性作用很小。常用的物化處理工藝包括以下幾種。 ( 1 ) 絮凝沉淀法 第4 頁(yè)武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 絮凝沉淀法去除廢水是指向廢水中添加絮凝劑，使得廢水中的懸浮顆粒和膠體等物 質(zhì)絮凝沉淀從而凈化水質(zhì)的一種水處理過(guò)程。通常，有機(jī)廢水中都含有一些膠體顆粒， 用普通的沉淀反應(yīng)反應(yīng)緩慢或者無(wú)法去除，如果向反應(yīng)池中加入了一定量的絮凝劑，不 僅可以去除膠體顆粒，而且還可以除去水中的細(xì)菌、病毒，并同時(shí)兼有除磷、脫色、除 臭，減輕水體的富營(yíng)養(yǎng)化，這可以大大降低后續(xù)處理的難度【l i 】。 絮凝沉淀法是一種重要且實(shí)用的水處理方法，高效、廉價(jià)的絮凝劑是該法處理難降 解有機(jī)廢水的關(guān)鍵。 ( 2 ) 吸附法 吸附法是指利用多孔性固體物質(zhì)，使得廢水中一種或者多種物質(zhì)被吸附黏著在固體 表面而去除的一種方法。吸附法的關(guān)鍵是合適的吸附劑的選擇，通常極性分子型的吸附 劑易吸附極性分子型的吸附質(zhì)；非極性分子型的吸附劑容易吸附非極性的吸附質(zhì)。同時(shí)， 污水p h 值也對(duì)吸附有影響，如活性炭一般在酸性條件下比在堿性條件下有更高的吸附 量。吸附反應(yīng)通常都是放熱反應(yīng)，因此較低的溫度低有利于吸附反應(yīng)進(jìn)行。 最常用的吸附劑是活性炭，它具有較高的比表面積( 可達(dá)8 0 0 2 0 0 0 m 2 g ) 和孑l 隙率， 它只對(duì)陽(yáng)離子染料、直接染料、酸性染料、活性染料等水溶性的染料具有較好吸附性能 且用于去除水中的溶解性有機(jī)污染物物( 分子量不超過(guò)4 0 0 ) 效果較好。張惠靈【1 2 】等利用活 性炭做吸附載體制備微波誘導(dǎo)催化劑m n o 2 一a 1 2 0 3 ，對(duì)甲基橙模擬廢水的處理率達(dá)9 5 以上。郭麗等【1 3 】報(bào)道了引進(jìn)同本技術(shù)生產(chǎn)的一種新型的優(yōu)質(zhì)水處理濾料活性煤，將其 用于處理北京第三毛紡廠染色和漂煉廢水，其c o d 的去除率大于6 0 ；色度的去除率大 于7 0 。陳天虎【1 4 】對(duì)凹凸棒土進(jìn)行改性后，對(duì)印染廢水進(jìn)行吸附脫色的處理，其脫色率 達(dá)8 5 以上。張建英等人【l5 】報(bào)道復(fù)合膨潤(rùn)土可用于有機(jī)廢水脫色領(lǐng)域。吸附法對(duì)有機(jī)廢 水效果明顯，膨潤(rùn)土作為水處理中的吸附劑和絮凝劑，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于有機(jī)廢水的 脫色領(lǐng)域。胡文偉等【l6 】研究用“流炭法 處理印染廢水，可大幅度的改善出水水質(zhì)。 r a m a k r i s h n a - 等【i7 】研究了膨潤(rùn)土和泥煤對(duì)染料廢水的脫色效果。但吸附法不能去除水中 膠體疏水性的染料，當(dāng)廢水b o d 5 大于2 0 0 m g l 時(shí)，采用吸附法不經(jīng)濟(jì)。 ( 3 ) 氣浮法 氣浮法是常用的水處理方法之一。張宏偉、楊芳等人【1 8 】將氣浮過(guò)濾法用于處理天津 某紡織廠洗滌車間的染色廢水，效果較好。j a n g y e u nh o n g 等x t l 9 】采用氣泡氣浮技術(shù)成 功從染料化工廠的廢水中分離出了直接藍(lán)染料。 1 2 3 2生物法 生物法處理是指利用微生物的分解氧化有機(jī)物的功能，并采取人工的手段，創(chuàng)造出 有利于微生物生長(zhǎng)和繁殖的環(huán)境，使其大量繁殖，以提高其氧化分解有機(jī)物的效率的一 種廢水處理方法。污水生物處理方法與其它生物生產(chǎn)的方法不同，它不是生產(chǎn)或改進(jìn)產(chǎn) 品的方法。它只是把生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)價(jià)值物質(zhì)盡可能地轉(zhuǎn)變成對(duì)環(huán)境無(wú)害的物質(zhì)， 然后再排入自然界進(jìn)行循環(huán)。通常情況下，難降解的有機(jī)廢水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，為了進(jìn)一 步降低水中的有機(jī)物和凈化水質(zhì)，還需采用生物處理法對(duì)其進(jìn)行深度的處理，在此簡(jiǎn)單 武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第5 頁(yè) 介紹活性污泥法、生物膜法和厭氧生物處理法處理廢水的原理及特點(diǎn)。 ( 1 ) 活性污泥法 活性污泥法是一種以活性污泥為主的廢水生物處理的主要方法。活性污泥是指向廢 水中連續(xù)的通入空氣，經(jīng)過(guò)了一定時(shí)問(wèn)后因好氧性的微生物繁殖而形成的污泥狀的絮凝 物。其上聚集著由各種微生物、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物膠體、懸浮物組成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、肉眼可 見的絮狀微生物共生體。它具有很強(qiáng)的吸附性能與氧化降解有機(jī)物的能力，可以吸附和 降解很多污染物，達(dá)到處理和凈化污水的目的?；钚晕勰喾ㄊ亲畛Ｓ玫乃幚矸椒ㄖ?， 傳統(tǒng)的活性污泥法也叫好氧活性污泥法，該法是有機(jī)廢水最早采用的一種處理技術(shù)，其 處理系統(tǒng)存在著一定的問(wèn)題，如曝氣池容積大，占用土地較多，基建費(fèi)用高；對(duì)進(jìn)水水 質(zhì)、水量的變化適應(yīng)性較低，運(yùn)行效果易受水質(zhì)、水量的變化影響等。因而隨著社會(huì)的 發(fā)展和對(duì)出水水質(zhì)的高排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，污水處理系統(tǒng)愈加完善，出現(xiàn)了眾多改進(jìn)的活 性污泥法。如序批式間歇活性污泥法( s b r ) ，該法具有均化水質(zhì)、無(wú)需污泥回流、污泥 活性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、占地少、運(yùn)行穩(wěn)定、基質(zhì)去除率高于普通的活性污泥法 等優(yōu)點(diǎn)，比較適合于處理間歇排放和水量水質(zhì)波動(dòng)較大的有機(jī)廢水【2 叩。近年來(lái)，在水 處理領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。 ( 2 ) 生物膜法 生物膜法是指用天然材料( 如卵石) 和合成材料( 如纖維) 作為載體，當(dāng)有機(jī)廢水流過(guò)載 體表面時(shí)，微生物在其表面生長(zhǎng)繁殖，形成生物膜。生物膜上的微生物具有多種多樣性， 包括好氧菌、厭氧菌、真菌和藻類【2 2 】等，而且生物膜對(duì)一些有毒有害污染物具有明顯的 阻抗性。 生物膜比表面積大，為微生物提供了較大的附著表面，可以增強(qiáng)對(duì)有機(jī)污染物的降 解作用。其反應(yīng)過(guò)程為：a 、基質(zhì)向生物膜表面擴(kuò)散，b 、在生物膜內(nèi)部擴(kuò)散，c 、微生 物分泌的酵素與催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，d 、代謝生成物排出生物膜。 生物膜法主要的工藝方法有生物廊道、生物濾池、生物接觸氧化池等。用生物膜法 處理有機(jī)廢水具有較好的處理效果，它是在常規(guī)的生化處理系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種 對(duì)于受氨氮及有機(jī)物輕度污染的水體有明顯處理效果的新工藝。生物膜法的有機(jī)負(fù)荷較 高，接觸停留時(shí)間短，占地面積少，投資少。此外，運(yùn)行管理過(guò)程中沒(méi)有污泥膨脹和污 泥回流的問(wèn)題，且耐沖擊負(fù)荷，在廢水處理領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)【2 3 1 。 ( 3 ) 厭氧生物處理法 厭氧生物處理法是指在斷絕與空氣接觸的條件下，利用兼性厭氧菌和專性厭氧菌將 污水中的大分子有機(jī)物降解為小分子化合物，進(jìn)一步使其轉(zhuǎn)化為c h 4 、c 0 2 的一種有機(jī) 污水處理方法，亦稱為厭氧消化法。厭氧生物處理廢水過(guò)程主要分為酸性消化和堿性消 化兩個(gè)階段。在酸性消化階段，在產(chǎn)酸菌分泌的外酶作用下，大分子有機(jī)物被分解為簡(jiǎn) 單的小分子物質(zhì)；在堿性消化階段，酸性消化階段產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物在甲烷細(xì)菌作用下進(jìn) 一步被分解成由c h 4 、c 0 2 等構(gòu)成的生物氣體。 厭氧生物處理法一般用于處理高濃度有機(jī)廢水、城鎮(zhèn)污水和污泥、動(dòng)植物的殘?bào)w及 第6 頁(yè)武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 糞便等。用該方法處理廢水的過(guò)程中具有能量消耗少，有機(jī)物的去除率高，沉淀的污泥 少，且同時(shí)可以殺死一些病原菌，不需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也有一些不足，如厭氧 菌繁殖較慢，對(duì)毒物敏感，對(duì)環(huán)境條件要求嚴(yán)格等，最終產(chǎn)物尚需需氧的生物進(jìn)行處理。 為了進(jìn)一步提高厭氧生物處理的處理效果，研究者們開始從反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方面著 手，來(lái)提高處理效果。如采用厭氧復(fù)合床反應(yīng)器來(lái)處理抗生素制藥廢水【2 4 1 ，該系統(tǒng)的p h 值具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以保證系統(tǒng)的快速啟動(dòng)和j 下常運(yùn)行，在運(yùn)行6 0 d 后c o d 容積負(fù) 荷達(dá)7 2 k g ( m i d ) ，c o d 去除率可達(dá)7 5 。且厭氧膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器( e g s b ) 【2 5 】是荷蘭 w a g e n i n g e n 農(nóng)業(yè)大學(xué)的l e t t i n g a 教授等人在上流式厭氧污泥床反應(yīng)器( u a s b ) 的研究基礎(chǔ) 上開發(fā)出來(lái)的第三代高效厭氧生物反應(yīng)器，其具有占地面積小、混合和傳質(zhì)效果好、抗 沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正是由于具有這些獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，e g s b 反應(yīng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 處理多種有機(jī)廢水。因此厭氧生物處理器是該生物處理技術(shù)處理廢水效果好壞的關(guān)鍵， 新型厭氧生物處理器的研究開發(fā)是該技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 1 2 3 3 化學(xué)氧化法 化學(xué)氧化技術(shù)通常用于生物處理的前處理，該技術(shù)在處理廢水的過(guò)程中一般需要添 加氧化劑以提高廢水的可生化性或直接氧化降解廢水中的有機(jī)物。常用的氧化劑有0 3 、 h 2 0 2 、k m n 0 4 等。然而在工業(yè)高速發(fā)展的今天，各種各樣的有機(jī)產(chǎn)品大大豐富了人們的 生活，但同時(shí)也使得生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢水大多為高濃度有機(jī)廢水或具有毒性的有機(jī)廢 水，在化學(xué)氧化法處理這些廢水的時(shí)候，常常由于氧化劑氧化能力不夠和氧化具有選擇 性，而使得處理效果不佳，難以達(dá)到要求。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，研究者們致力于研究處理效果更 好，更能節(jié)能減排的水處理技術(shù)，這也使得各種氧化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1 9 8 7 年，g l a z e 等 人提出了高級(jí)氧化工藝( a o p s ) ，該工藝以化學(xué)降解反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將氧化能 力很強(qiáng)的羥基自由基o h 釋放出來(lái)，它可以將大多數(shù)的有機(jī)污染物礦化或直接分解，甚 至徹底地轉(zhuǎn)化為無(wú)害的小分子物質(zhì)。a o p s 技術(shù)尤其適合于處理不飽和有機(jī)物、芳烴和 芳香類的化合物，降解效果顯著，且反應(yīng)條件溫和，無(wú)二次污染，同時(shí)將該方法用于處 理環(huán)境類激素等微量的有害化學(xué)物質(zhì)也取得了較好的效果。由于該工藝具有顯著的特點(diǎn) 和獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在水處理研究領(lǐng)域引起了廣泛的注意和應(yīng)用，以下主要對(duì)中的濕式 空氣氧化法、超臨界水氧化法、光化學(xué)氧化法、聲化學(xué)氧化法、電催化氧化法等幾種高 級(jí)氧化技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展方向簡(jiǎn)單介紹。 ( 1 ) 濕式氧化法 濕式氧化技術(shù)是2 0 世紀(jì)5 0 年代發(fā)展起來(lái)的一種能有效處理有毒有害、高濃度有機(jī) 廢水的方法。它是指在高溫、高壓條件下，以氧氣或空氣作為氧化劑將廢水中的有機(jī)污 染物氧化分解為c 0 2 和h 2 0 等無(wú)機(jī)小分子或有機(jī)小分子的化學(xué)過(guò)程。與常規(guī)方法相比， 濕式氧化技術(shù)幾乎可以無(wú)選擇性的處理各種高濃度有機(jī)廢水，且具有處理效率高、二次 污染少、氧化速度快等特點(diǎn)。 然而濕式氧化法在實(shí)際推廣應(yīng)用方面仍存在著一定的局限性，如它需要在高溫高壓 武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第7 頁(yè) 的條件下進(jìn)行，故對(duì)反應(yīng)器材要求較高，如耐高溫高壓、耐腐蝕等，因此設(shè)備費(fèi)用大， 投資大；它僅適于處理小流量高濃度的廢水，對(duì)于低濃度大水量的廢水則很不經(jīng)濟(jì)；另 外濕式氧化過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一些毒性較大的中間產(chǎn)物。 ( 2 ) 超臨界水氧化法 超臨界水氧化技術(shù)( s u p e r c r i t i c a lw a t e ro x i d a t i o n ，s c w o ) 是一種清潔、環(huán)境友好型的 有機(jī)廢水處理技術(shù)，其實(shí)質(zhì)上是在濕式氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)，超臨界水 是指當(dāng)氣壓和溫度達(dá)到了一定值時(shí)，因高溫而膨脹的水的密度與因高壓而被壓縮的水蒸 氣的密度恰好相同時(shí)的水。此時(shí)，水沒(méi)有液體和氣體的區(qū)別，完全融為一體，成為一種 新型的呈現(xiàn)出高壓高溫狀態(tài)的液體。而正是由于超臨界水具有這種特殊的性質(zhì)，使其介 電常數(shù)極少且氣液界面消失具有良好的擴(kuò)散性，在空氣或氧氣存在的情況下，在超臨界 水中難降解得有機(jī)物會(huì)被迅速降解為水、c 0 2 等小分子無(wú)機(jī)物。與其它處理技術(shù)相比， 超臨界水氧化技術(shù)具有其明顯的優(yōu)越性，如處理效果好、沒(méi)有二次污染，可以處理多種 有毒有害廢水等，然而同時(shí)由于臨界水氧化法要求高溫、高壓，因此其在反應(yīng)過(guò)程中對(duì) 反應(yīng)設(shè)備材質(zhì)要求過(guò)高，對(duì)普通耐腐蝕金屬如不銹鋼及非金屬碳化硅、氮化硅等有很強(qiáng) 的腐蝕性；另外對(duì)于某些化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的物質(zhì)，反應(yīng)時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，使該技術(shù)的推廣應(yīng) 用受到了一定程度的限制。還有超臨界水氧化技術(shù)在對(duì)含酚廢水的處理中，需要嚴(yán)格控 制反應(yīng)溫度，這是由于在反應(yīng)過(guò)程中，溫度過(guò)低可能會(huì)形成一些有毒的中間產(chǎn)物，但高 溫下又可能會(huì)被破壞，所以在設(shè)計(jì)超臨界水氧化工藝時(shí)，應(yīng)該選擇合適的工藝參數(shù)以破 壞初始物及中間的反應(yīng)產(chǎn)物。目前，許多研究者引入催化劑，以期克服超臨界水氧化苛 刻的反應(yīng)條件( 溫度之5 0 0 ，p _ 2 5 m p a ) 和對(duì)設(shè)備材質(zhì)的過(guò)高要求，以及氧化較穩(wěn)定的化 學(xué)物質(zhì)需要反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的不足，因此催化超臨界水氧化又成為研究的熱點(diǎn)。 ( 3 ) 光化學(xué)氧化法 光化學(xué)氧化是指在水體中加入0 3 、h 2 0 2 和、0 2 或f e n t o n 試劑等氧化劑，在紫外光的 照射下，產(chǎn)生大量羥基自由基( o h ) ，從而大大加快對(duì)水體中有機(jī)物污染物的降解。在 化學(xué)氧化和紫外光的共同作用下，系統(tǒng)的氧化能力和反應(yīng)速率都超過(guò)單獨(dú)使用氧化劑和 使用催化劑與紫外輻射加和所能達(dá)到的效果，體現(xiàn)了協(xié)同作用的優(yōu)越性。 光化學(xué)氧化可以分為光分解、光敏化氧化、光激發(fā)氧化和光催化氧化四種。目前研 究和應(yīng)用較多的為光催化氧化法。光催化氧化技術(shù)能夠有效破壞許多結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的難于生 物降解的污染物，大部分的有機(jī)物在光催化作用下可以完全被氧化成c 0 2 、h 2 0 等小分 子無(wú)機(jī)物，且具有能耗低、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，因而這一技術(shù)在廢水處理 中的應(yīng)用日益受到人們的重視。但是光催化氧化技術(shù)對(duì)高濃度的廢水處理效果不佳。目 前，關(guān)于光催化氧化技術(shù)對(duì)染料廢水的降解研究主要是針對(duì)光催化劑的研究。其中，t i 0 2 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難溶于水、無(wú)毒性且成本較低，是較為理想的光催化劑。然而傳統(tǒng)的粉 末型t i 0 2 光催化劑由于存在分離較為困難且不適用于流動(dòng)體系等缺點(diǎn)，難以在實(shí)際中廣 泛應(yīng)用。因此，改性t i 0 2 光催化劑的成為研究的熱點(diǎn)。孫柳等【2 6 】研究了鑭摻雜t i 0 2 光催 化降解酸性紅b 的性能，結(jié)果表明：在最佳條件下，酸性紅b 的降解率可達(dá)9 2 9 。與純 第8 頁(yè)武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 t i 0 2 相比，l a 3 + t i 0 2 光催化劑顯示出良好的太陽(yáng)光催化活性。 ( 4 ) 聲化學(xué)氧化法 聲化學(xué)氧化法亦即超聲波氧化法，是一種新近發(fā)展起來(lái)的廢水處理技術(shù)，它主要是 利用超聲波輻射從而使水分子裂解從而產(chǎn)生羥基自由基，來(lái)氧化降解水中的污染物。近 年來(lái)，聲化學(xué)氧化技術(shù)逐漸被應(yīng)用于處理各種有毒難降解的有機(jī)污染物，另外對(duì)該技術(shù) 處理廢水的降解機(jī)理、影響因素和動(dòng)力學(xué)等的研究也同益增多。但同時(shí)聲化學(xué)氧化技術(shù) 也存在一系列的問(wèn)題如能量利用率低、處理量小，費(fèi)用高等。因此，研究者們將超聲波 與其他水處理技術(shù)聯(lián)合使用處理廢水，如超聲過(guò)氧化氫、超聲臭氧等，都取得了較好 的效果。 ( 5 ) 電化學(xué)氧化法 電化學(xué)氧化技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種新型的主要針對(duì)難生化降解的有機(jī)污染物 的廢水處理技術(shù)，它是指在電場(chǎng)作用下。通過(guò)一定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的羥基自由基， 從而來(lái)氧化降解有機(jī)污染物的過(guò)程。電化學(xué)氧化技術(shù)處理廢水具有能源利用率高、設(shè)備 簡(jiǎn)單、易于自動(dòng)化控制和無(wú)二次污染等特點(diǎn)，近年來(lái)其在環(huán)境污染治理尤其是水中難降 解有機(jī)物的治理方面越來(lái)越受到人們的關(guān)注，然而由于受到電極材料的限制，該技術(shù)降 解有機(jī)物時(shí)，電流利用率低、能耗高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。因此，一些學(xué)者將電化學(xué)技術(shù) 與其它處理技術(shù)相結(jié)合協(xié)同降解有機(jī)廢水，以提高廢水的處理效率，增加能源的利用率， 從而大大拓寬了電化學(xué)氧化技術(shù)的應(yīng)用范圍。 總之，在廢水處理領(lǐng)域催化氧化技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但同時(shí)也還有許多不足之 處，由于在實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中，反應(yīng)要求高溫高壓，對(duì)反應(yīng)器會(huì)有較高要求，且投資與 運(yùn)營(yíng)的費(fèi)用跟完全的工業(yè)化還有一定距離，于是人們便又開始在催化和加熱方法上進(jìn)行 探討與研究。 隨著社會(huì)的發(fā)展，水處理技術(shù)的發(fā)展也日新月異，微波加熱逐漸代替了傳統(tǒng)的導(dǎo)熱 法在水處理領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的關(guān)注。微波加熱法主要是利用一些固體和液體為中間 介質(zhì)，從而將電磁能轉(zhuǎn)變成熱能來(lái)加速化學(xué)反應(yīng)。1 9 7 0 年，英國(guó)h a r w e u 實(shí)驗(yàn)室在處理 核廢料時(shí)，由于常規(guī)加熱的不均勻性影響處理效果而提出使用微波裝置，從而成功的解 決了這一問(wèn)題，于是水處理領(lǐng)域便有了微波技術(shù)。微波技術(shù)是利用微波輻射處理過(guò)程中， 熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的無(wú)溫度梯度、快速均勻等優(yōu)點(diǎn)來(lái)大大提高處理效率，同時(shí)大幅度降 低能量消耗，縮短反應(yīng)時(shí)間，達(dá)到節(jié)能增效的目的。近十幾年來(lái)，人們開始致力研究微 波輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)已成功將其應(yīng)用于廢水、廢氣、固體廢棄物等的 處理以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，該技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。 1 3 微波誘導(dǎo)氧化技術(shù) 1 3 1 微波及其特性 微波是一種電磁波，它可以改變離子遷移和偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，但不會(huì)引起分子結(jié) 構(gòu)的改變，是非離子化的輻射能。微波通常是指波長(zhǎng)為l m m 到1 m 之間，頻率為3 0 0 到3 0 0 0 0 0 m h z 的一種電磁波。由于微波頻率很高，所以又叫超高頻電磁波。微波有物 武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第9 頁(yè) 理、化學(xué)和生物學(xué)的效應(yīng)，可以有多種應(yīng)用，但目前應(yīng)用最廣泛的是微波加熱。微波加 熱具有加熱速度快、不需熱傳遞、加熱均勻、無(wú)熱慣性等特性。同時(shí)微波作用的過(guò)程中 除存在“致熱效應(yīng)”外，可能也存在直接作用于反應(yīng)物而引起的特殊非致熱效應(yīng)【2 7 2 8 1 ， 即改變反應(yīng)歷程、降低反應(yīng)活化能、加快反應(yīng)速度、提高平衡轉(zhuǎn)化率、減少副產(chǎn)物、改 變立體選擇性等效應(yīng)。這決定了其勢(shì)必會(huì)在科技領(lǐng)域引起一場(chǎng)技術(shù)革命。 1 3 2 微波加熱機(jī)理 微波加熱最常用的頻率為2 4 5 0 m h z 。與傳統(tǒng)的加熱方式不同，微波加熱是對(duì)物體 內(nèi)外進(jìn)行整體加熱，無(wú)溫度梯度。一般來(lái)說(shuō)，介質(zhì)在微波場(chǎng)中的加熱存在兩種機(jī)理，即 離子傳導(dǎo)機(jī)理和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理。在微波加熱的實(shí)際應(yīng)用中，兩種機(jī)理的微波能耗散均 同時(shí)存在 2 9 , 3 0 】。對(duì)于對(duì)于鐵氧體、狡基鐵等磁介質(zhì)型材料，同時(shí)還存在鐵磁共振吸收。 1 3 2 1 離子傳導(dǎo)機(jī)理 離子傳導(dǎo)是電磁場(chǎng)中可離解離子的導(dǎo)電移動(dòng)，離子移動(dòng)形成電流，由于介質(zhì)對(duì)離子 的阻礙而產(chǎn)生熱效應(yīng)【2 9 1 。溶液中所有的離子均起導(dǎo)電的作用，但作用的大小與介質(zhì)中離 子的濃度和遷移率有關(guān)。因此，離子的遷移產(chǎn)生的微波能量損失于離子的大小、電荷量 和導(dǎo)電性有關(guān)，并受離子與溶液的分子之間的相互作用的影響。 1 3 2 2 偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理 介質(zhì)是由很多端帶正電一端帶負(fù)電的分子或者偶極子組成的。如果將介質(zhì)放在兩 塊金屬板之間，無(wú)外力介入的狀態(tài)下介質(zhì)內(nèi)的偶極子做雜亂無(wú)序的運(yùn)動(dòng)和排列。 而當(dāng)直流電壓加至金屬板上時(shí)，兩極之間存在著一直流電場(chǎng)，從而導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部的 偶極子重新排列，亦即帶正電荷的一端向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，帶負(fù)電的一端向正極運(yùn)動(dòng)，形成具 有特定取向的有規(guī)則排列的極化分子，如圖1 1 所示。 0 薦 吣閂e j 吣 圖1 1 介質(zhì)存在狀態(tài)及在電場(chǎng)中分子被極化示意圖 若改變電場(chǎng)的方向，則介質(zhì)中偶極子取向也隨之改變。若是將直流電場(chǎng)換成一定頻 率的交流電，則加到兩金屬板上的電場(chǎng)也會(huì)以同樣的頻率交替著改變，介質(zhì)中的偶極子 也隨之快速擺動(dòng)，在2 4 5 0 m h z 的電場(chǎng)中，偶極子是以4 9 x i 0 9 次秒的速度快速擺動(dòng)的。 由于分子的熱運(yùn)動(dòng)和與其他接觸的分子間的相互作用，使得偶極子在隨外加電場(chǎng)方向改 變而作規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)受到干擾和摩擦，從而使得雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)的分子獲得一定的能量，以 熱能的形式表現(xiàn)出來(lái)，而介質(zhì)溫度也隨之升高。由于電磁能量是以波的形式直接輻射到 介質(zhì)內(nèi)部，內(nèi)外同時(shí)加熱，加熱無(wú)溫度梯度，且受熱均勻，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到 曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰日曰曰曰曰曰曰曰曰曰 第l o 頁(yè)武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 很高的溫度，大大加快了反應(yīng)速度，縮短了反應(yīng)時(shí)間。另外，微波輻射使極性分子高速 運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生熱效應(yīng)的同時(shí)，也改變體系的熱力學(xué)函數(shù)，降低了反應(yīng)的活化能和分子間化 學(xué)鍵強(qiáng)度【2 9 】。 1 3 2 3 鐵磁共振吸收 對(duì)于鐵氧體、狡基鐵等磁介質(zhì)型的材料，其吸收波主要是鐵磁共振吸收【3 。鐵氧體 中磁鉛石型的吸波材料，它的片狀結(jié)構(gòu)是吸波劑的最佳形狀，其次是它具有較高的磁性 且各向異性等效應(yīng)，因而也具有了較高自然共振頻率；多晶鐵纖維的吸波材料的吸波機(jī) 理是渦流損耗和磁滯損耗，它有很強(qiáng)的介電損耗吸收性能，在外加交變電場(chǎng)的作用下， 纖維內(nèi)的電子產(chǎn)生振動(dòng)，將部分的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能 3 2 】。 1 3 3 微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)原理 微波誘導(dǎo)氧化工藝的基礎(chǔ)是“偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)理論”。外加微波場(chǎng)的作用是它可使極性 分子發(fā)生高頻率的振蕩運(yùn)動(dòng)，從而消耗能量而發(fā)熱，直接或者間接的氧化降解污染物。 除加熱作用外，微波還能夠誘導(dǎo)催化氧化反應(yīng)的發(fā)生【3 3 1 。許多有機(jī)化合物都不能直 接的吸收微波能，但卻可以利用某種能強(qiáng)烈吸收微波的“敏化劑”把微波能傳遞給這些 物質(zhì)從而誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。而利用這些“敏化劑就可以在微波輻射的條件下實(shí)現(xiàn) 某些催化反應(yīng)，這就是所謂微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)。其催化原理是，由于催化劑表面的不均 勻性，且微波照射時(shí)微波電磁場(chǎng)與催化劑的作用也不均勻，當(dāng)高強(qiáng)度的連續(xù)的微波輻射 聚焦到某種“敏化劑”的表面時(shí)，由于該“敏化劑”表面點(diǎn)位與微波能的發(fā)生強(qiáng)烈的相 互作用，微波能將被轉(zhuǎn)變成熱能，而催化劑表面與微波作用最強(qiáng)處會(huì)產(chǎn)“熱點(diǎn)”，這些 “熱點(diǎn)”的溫度要比催化劑床的平均溫度要高的多，產(chǎn)生了高溫高壓的作用，當(dāng)水中的 有機(jī)污染物與其接觸時(shí)就可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)】。 “敏化劑”的作用不僅僅在于把熱能聚焦，同時(shí)還可以借它與反應(yīng)物和產(chǎn)物相互作 用的選擇性而影響反應(yīng)的進(jìn)程。微波誘導(dǎo)氧化工藝就是利用微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的這些作 用，對(duì)水中的污染物通過(guò)物理及化學(xué)作用進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)污水凈化的目的。 微波在處理水中污染物的同時(shí)，也可以殺滅水中的細(xì)菌、藻類等微生物。其作用原 理在于微波輻射的熱效應(yīng)，即微波輻射生物體時(shí)，引起生物體組織器官的加熱而產(chǎn)生了 生理影響和抑制、傷害作用。組成細(xì)胞的極性分子在外加微波場(chǎng)的作用下升溫發(fā)熱，從 而使得生物體細(xì)胞組織溫度升高。當(dāng)微波功率較大，生物體產(chǎn)熱過(guò)多，超過(guò)了體溫調(diào)節(jié) 能力，生物體的溫度平衡功能就會(huì)失調(diào)，體溫上升，于是生物體得生理功能發(fā)生紊亂并 發(fā)生病理變化，進(jìn)而死亡。 近年來(lái)，微波誘導(dǎo)氧化催化反應(yīng)在環(huán)境工程中得到了廣泛的應(yīng)用【3 5 】。 1 3 4 微波輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的研究應(yīng)用 微波輻射技術(shù)用于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)始于1 9 8 6 年r g e d y e 等在微波爐內(nèi)進(jìn)行的酯化、 水解和氧化反應(yīng)，幾十年以來(lái)，微波化學(xué)方面的研究取得了較為滿意的進(jìn)展。直至最近 十幾年間，人們才開始注意微波技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的潛力，尤其在環(huán)境污染物的 去除方面，現(xiàn)已對(duì)廢氣、廢水、固體廢棄物的處理及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面微波能的應(yīng)用進(jìn)行 武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 l 頁(yè) 了廣泛的研究。相信隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域具有更廣闊的 發(fā)展前景。 1 3 4