CN102557180A

CN102557180A - 基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法

Info

Publication number: CN102557180A
Application number: CN2012100173459A
Authority: CN
Inventors: 程和发; 胡二丹
Original assignee: Guangzhou Institute of Geochemistry of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Geochemistry of CAS
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2012-07-11
Also published as: US9073765B2; WO2013107063A1; US20140027381A1

Abstract

本发明公开了一种微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法。其主要步骤是在吸附柱中填充疏水性多孔矿物吸附剂，用于吸附有机废水中的有机污染物，待吸附剂达到饱和后，启动微波发生器，使吸附在吸附柱内的有机污染物在微波诱导下发生降解。通过两根吸附柱的交替运行和再生，实现对有机废水的连续处理。本发明通过疏水性微孔矿物吸附耦合微波诱导降解技术，实现有机污染物从水体中的高效去除、降解和载体的循环利用，并将污染物彻底矿化为无毒无害的小分子物质，可用于地下水、地表水和饮用水的污染治理中。本发明可适用于多种溶于水的极性有机污染物的处理中。

Description

基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法

技术领域

本发明涉及一种有机污染物去除方法，特别是一种基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，有毒物质尤其是难降解有机物对自然环境的污染加剧，印染、制药、化工等行业的废水，垃圾渗滤液，城市生活污泥等都可能含有大量的难降解有机物，这类污染物在环境中不易降解，存留时间较长，可以通过大气，水的输送而影响到区域和全球环境，并可通过食物链富集，最终严重影响人类健康。水体污染是目前比较严峻的环境问题之一。

水体中有机污染物的去除是当前水处理领域最为活跃的研究问题之一，经过几十年环境科学工作者的不懈努力，开发出了大量行之有效的处理工艺。现有的处理技术，如高级氧化以及微生物降解等，由于处理效率低、成本高、产生二次污染、降解不完全等问题而受到限制，无法满足对污染治理的需求，尤其是对高浓度废水的处理，上述方法存在占地大、操作条件苛刻、适应性小、去除率低等缺点而难以大规模应用。由于活性炭吸附法在处理用生化法难以降解的有机物或用一般氧化法难于氧化的溶解性有机物方面具有明显优势，其在高浓度难降解有机废水的处理中经常被采用，尤其是近年来随着废水处理程度和废水回收率要求的提高，这种高效处理方法受到普遍重视。如处理含油废水、含酚废水、硝基化合物、氯或硝基取代的芳烃化合物、杂环化合物、合成染料、DDT等，但活性炭孔道分布广（含微孔、中孔和大孔），因而吸附缺乏选择性，并且活性炭亲水性较强，对水体中有机污染物的吸附效率较低，吸附处理后的活性炭一般采用加热法进行再生，循环使用，传统的热再生方法存在再生过程中活性炭损失较大，再生后活性炭吸附能力明显下降，再生时产生的尾气会造成空气的二次污染等问题。与传统的热处理方法相比，微波处理方法在活性炭再生方面具有明显优势，活性炭吸收微波能力较强，在微波作用下快速升温，吸附在表面的污染物受热发生降解和脱附。但微波能量对活性炭的损坏极大，只适用于短时间的处理，较长时间的微波辐射会引起活性炭表面起火，并且再生后孔道结构遭到破坏，比表面积极大降低。另外，由于活性炭本身吸收微波能力较强，微波能量穿透较浅，不能够对吸附柱均匀加热，经常出现部分空间内的活性碳由于没有受到微波辐射而得不到再生或再生不完全但其它部分的活性碳由于升温过高而导致结构遭到严重破坏的情况。由于活性碳对微波能量的吸收，导致微波在活性碳层中的穿透性很差，使吸附柱的大小受到极大的限制。因此，水体中有机污染物，特别是持久性有机物的处理仍是摆在我们面前的难题，需要不断探索和研究。设计开发新型的有机污染物降解技术，以实现有机污染物的高效去除而不产生二次污染，并将其成功运用于水体中有机污染物的治理中，对水环境的保护和降低人体健康风险具有重要意义。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法。本方法具有明显的高效、节能、省时、操作条件简单、无二次污染等优点。

本发明解决其技术问题的方案是：基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法，包括以下步骤：

1) 向第一吸附柱和第二吸附柱内部填充矿物基疏水性多孔吸附剂，第一吸附柱和第二吸附柱外表面分别缠绕一层微波线圈；

2) 启动抽水泵，从储水容器中抽取有机废水，经过滤装置去除不溶物质，经总控制阀、流量计以及切换阀后，从第一反应器的进水口进入第一反应器，并在反应器内的第一吸附柱中停留足够长的时间使有机污染物与矿物基疏水性多孔吸附剂的吸附达到平衡，处理后废水从第一反应器的出水口流出；

3) 每隔一段时间检测从第一反应器的出水口流出的水体中有机污染物的浓度，当浓度达到预定值时，启动切换阀将水流切换到第二反应器的进水口，利用第二反应器内的第二吸附柱来吸附有机污染物；

4) 启动微波发生器，并将其与第一吸附柱上的微波线圈相连，调节微波的发射能量至合适的功率，使吸附于第一吸附柱内矿物基疏水性多孔吸附剂上的有机污染物发生降解；

5) 当第一吸附柱内的有机污染物完全降解后，关闭微波发生器并断开其与第一吸附柱上微波线圈的连接；

6) 待第二吸附柱吸附有机污染物饱和后，将水流重新切换至第一反应器的进水口，启动微波发生器，并将其与第二吸附柱上的微波线圈相连，调节微波的发射能量至合适的功率，对第二吸附柱内矿物基疏水性多孔吸附剂上的有机污染物进行微波诱导降解，使第二吸附柱得到再生后，关闭微波发生器并断开其与第二吸附柱上微波线圈的连接；

7) 重复步骤2）至步骤6），直至储水容器内的有机废水处理完毕。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤1）中，所述矿物基疏水性多孔吸附剂为脱铝HY沸石。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤1）中，所述第一吸附柱和第二吸附柱为石英材料构件。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤1）中，第一吸附柱置于金属铝材料腔体内，第二吸附柱置于金属铝材料腔体内。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤2）中，可通过总控制阀，控制有机废水流进第一反应器和第二反应器的流速。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤3）中，检测反应器出水口流出的水体中有机污染物浓度的时间间隔为1个小时。

本发明的有益效果是：本发明通过疏水性矿物耦合吸附和微波降解技术，实现有机污染物从水体中的高效去除，降解和载体的循环利用，并将污染物彻底矿化为无毒无害的小分子物质，可用于地下水，地表水及饮用水的污染治理中。

本发明中疏水性多孔矿物吸附容量大，孔道结构规整，疏水性强，能选择性的吸附水体中有机污染物，吸附效率高。并且此材料不吸收微波，降解再生过程中其孔结构不会被损坏。

本发明可适用于多种溶于水的极性有机污染物的处理中。

附图说明

下面结合附图及实例对本发明作进一步的说明。

图1是实施本发明方法的设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明在处理有机废水中有机污染物中的应用。

参照图1，基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法，包括以下步骤：

1) 向第一吸附柱7和第二吸附柱9内部填充矿物基疏水性多孔吸附剂，第一吸附柱7和第二吸附柱9外表面分别缠绕一层微波线圈；

2) 启动抽水泵1，从储水容器中抽取有机废水，经过滤装置2去除不溶物质，经总控制阀3、流量计4以及切换阀5后，从第一反应器6的进水口进入第一反应器6，并在反应器内的第一吸附柱7中停留足够长的时间使有机污染物与矿物基疏水性多孔吸附剂的吸附达到平衡，处理后废水从第一反应器6的出水口流出；

3) 每隔一段时间检测从第一反应器6的出水口流出的水体中有机污染物的浓度，当浓度达到预定值时，启动切换阀5将水流切换到第二反应器8的进水口，利用第二反应器8内的第二吸附柱9来吸附有机污染物；

4) 启动微波发生器10，并将其与第一吸附柱7上的微波线圈相连，调节微波的发射能量至合适的功率，使吸附于第一吸附柱7内矿物基疏水性多孔吸附剂上的有机污染物发生降解；

5) 当第一吸附柱7内的有机污染物完全降解后，关闭微波发生器10并断开其与第一吸附柱7上微波线圈的连接；

6) 待第二吸附柱9吸附有机污染物饱和后，将水流重新切换至第一反应器6的进水口，启动微波发生器10，并将其与第二吸附柱9上的微波线圈相连，调节微波的发射能量至合适的功率，对第二吸附柱9内矿物基疏水性多孔吸附剂上的有机污染物进行微波诱导降解，使第二吸附柱9得到再生后，关闭微波发生器10并断开其与第二吸附柱9上微波线圈的连接；

进一步作为优选的实施方式，在步骤1）中，所述矿物基疏水性多孔吸附剂为脱铝HY沸石。选用脱铝HY沸石作为吸附剂，此材料比表面积大，有较大的吸附容量，孔道结构规整，孔径大小合适，有很强的吸附选择性，可以选择性的吸附目标有机污染物而排除水体中大分子有机质如腐殖酸的干扰，同时该材料疏水性强，避免了矿物孔道内大量水的吸附形成水簇而堵塞孔道，导致目标有机污染物分子的吸附受阻。

进一步作为优选的实施方式，在步骤1）中，所述第一吸附柱7和第二吸附柱9为石英材料构件。吸附柱用石英材料制成，此材料不吸收微波，而且耐高温，可以避免由于吸附柱吸收而导致的能量损失。微波线圈缠绕在吸附柱外表面，利用微波加热饱和吸附后的吸附柱，同时实现污染物的彻底降解和脱铝HY沸石的再生。微波加热具有高选择性、从内部加热、升温速率快、加热效率高、易于自动控制等优点。吸附于矿物微孔水体中的有机污染物分子在微波作用下急剧震荡而快速升温，降解为无毒无害的小分子物质。所选用的脱铝HY沸石几乎不吸收微波，有利于能量的充分利用，而且使微波能量更好的穿透，直接作用于有机物分子，同时减少了微波对矿物材料的损坏，提高材料的使用效率。

进一步作为优选的实施方式，在步骤1）中，第一吸附柱7置于金属铝材料腔体内，第二吸附柱9置于金属铝材料腔体内。启动微波发生器10后，微波线圈将微波能量传导到吸附柱，线圈外面套有一个硅铝材料的绝缘层，且第一吸附柱7和第二吸附柱9分别置于金属铝材料腔体内，通过金属的反射作用使微波能量在反应器内均匀分布并且有效防止微波向外扩散泄漏。

进一步作为优选的实施方式，在步骤2）中，可通过总控制阀3，控制有机废水流进第一反应器6和第二反应器8的流速。

进一步作为优选的实施方式，在步骤3）中，检测反应器出水口流出的水体中有机污染物浓度的时间间隔为1个小时。

下面，结合具体实施例对本发明作详细说明：

实施例1

阿特拉津是目前世界上使用最为广泛也是最重要的除草剂之一，其结构稳定，水溶性强，难以降解，被微生物矿化过程十分缓慢，对水生态环境和人类饮用水源构成严重威胁。本实施例以10 ppm的阿特拉津水溶液为目标治理物，采用脱铝HY沸石作为吸附剂，由于阿特拉津的分子直径为0.54 nm, HY沸石具有三维孔道结构，比表面积大，疏水性强，孔道结构规整，孔径大小为0.74 -1.2nm, 因此阿特拉津分子可以被选择性的吸附到孔道中而被束缚住，有利于微波诱导降解。通过水泵1、过滤装置2、总控制阀3及质量流量计4将阿特拉津水溶液以一定流速输送到第一吸附柱7中，每隔1小时测试反应器出水口阿特拉津的浓度，当此浓度到达预定值时，切换水流到第二吸附柱9，打开微波发生器10并连接到已饱和的第一吸附柱7上的微波线圈，调节功率到合适值，对第一吸附柱7内吸附的阿特拉津进行降解处理，同时实现吸附剂的再生。由于HY沸石几乎不吸收微波，从而避免了微波辐射对吸附剂结构造成破坏使得再生后吸附效率降低，克服了以活性炭作为吸附剂的一大缺点，并且微波能量得到更好的利用。阿特拉津分子极性较强，具有一定的微波吸收能力，在微波作用下吸附于沸石微孔中的阿特拉津快速热裂解为NH₃、CO₂等无毒无害的小分子物质。当第一吸附柱7内的吸附剂再生完全后，关闭微波发生器10并断开其与第一吸附柱7上微波线圈的连接。待第二吸附柱9被饱和后，再次切换水流至第一吸附柱7。通过两根吸附柱的交替使用和再生，实现对水体中阿特拉津的连续去除。此方法处理水体中的阿特拉津效率较高，降解彻底，不产生二次污染。

实施例2

以水体中典型氯酚类化合物2,4-二氯酚的去除来说明本发明的具体实施方式，氯代酚类化合物在农药，制药业和工业中应用广泛，是水和土壤环境中的重要污染物。由于氯酚结构稳定，采用传统的物理，生化或化学氧化法处理，周期普遍较长，降解效率低，所以有效处理含酚废水已成为环保、印染、造纸等行业普遍关注的课题。本实施例以20 ppm的2,4-二氯酚水溶液为目标治理物，采用脱铝HY沸石作为吸附剂，2,4-二氯酚的分子直径与脱铝HY沸石的孔道大小相当，可被选择性的吸附到沸石孔道中而被束缚住，同时极性较强，具有很强的吸微波能力。通过水泵1、过滤装置2、总控制阀3及质量流量计4将2,4-二氯酚水溶液以一定流速输送到第一吸附柱7中，每隔1小时测试反应器出水口2,4-二氯酚水溶液的浓度，当此浓度到达预定值时，切换水流到第二吸附柱9，打开微波发生器10并连接到已饱和的第一吸附柱7上的微波线圈，调节功率到合适值，对第一吸附柱7内吸附的2,4-二氯酚进行降解处理，同时实现吸附剂的再生。由于HY沸石几乎不吸收微波，从而避免了微波辐射对吸附剂结构造成破坏使得再生后吸附效率降低，克服了以活性炭作为吸附剂的一大缺点，并且微波能量得到更好的利用。2,4-二氯酚极性较强，具有一定的微波吸收能力，在微波作用下吸附于沸石微孔中的2,4-二氯酚快速热裂解为NH₃、CO₂等无毒无害的小分子物质。当第一吸附柱7内的吸附剂再生完全后，关闭微波发生器10并断开其与第一吸附柱7上微波线圈的连接。待第二吸附柱9被饱和后，再次切换水流至第一吸附柱7。通过两根吸附柱的交替使用和再生，实现对水体中2,4-二氯酚的连续去除。此方法处理水体中的2,4-二氯酚效率较高，降解彻底，不产生二次污染。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)向第一吸附柱（7）和第二吸附柱（9）内部填充矿物基疏水性多孔吸附剂，第一吸附柱（7）和第二吸附柱（9）外表面分别缠绕一层微波线圈；

2)启动抽水泵（1），从储水容器中抽取有机废水，经过滤装置（2）去除不溶物质，经总控制阀（3）、流量计（4）以及切换阀（5）后，从第一反应器（6）的进水口进入第一反应器（6），并在反应器内的第一吸附柱（7）中停留足够长的时间使有机污染物与矿物基疏水性多孔吸附剂的吸附达到平衡，处理后废水从第一反应器（6）的出水口流出；

3)每隔一段时间检测从第一反应器（6）的进水口流出的水体中有机污染物的浓度，当浓度达到预定值时，启动切换阀（5）将水流切换到第二反应器（8）的进水口，利用第二反应器（8）内的第二吸附柱（9）来吸附有机污染物；

4)启动微波发生器（10），并将其与第一吸附柱（7）上的微波线圈相连，调节微波的发射能量至合适的功率，使吸附于第一吸附柱（7）内矿物基疏水性多孔吸附剂上的有机污染物发生降解；

5)当第一吸附柱（7）内的有机污染物完全降解后，关闭微波发生器（10）并断开其与第一吸附柱（7）上微波线圈的连接；

6)待第二吸附柱（9）吸附有机污染物饱和后，将水流重新切换至第一反应器（6）的进水口，启动微波发生器（10），并将其与第二吸附柱（9）上的微波线圈相连，调节微波的发射能量至合适的功率，对第二吸附柱（9）内矿物基疏水性多孔吸附剂上的有机污染物进行微波诱导降解，使第二吸附柱（9）得到再生后，关闭微波发生器（10）并断开其与第二吸附柱（9）上微波线圈的连接；

7)重复步骤2）至步骤6），直至储水容器内的有机废水处理完毕。

2.根据权利要求1所述的基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法，其特征在于：在步骤1）中，所述矿物基疏水性多孔吸附剂为脱铝HY沸石。

3.根据权利要求1所述的基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法，其特征在于：在步骤1）中，所述第一吸附柱（7）和第二吸附柱（9）为石英材料构件。

4.根据权利要求1所述的基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法，其特征在于：在步骤1）中，第一吸附柱（7）置于金属铝材料腔体内，第二吸附柱（9）置于金属铝材料腔体内。

5.根据权利要求1所述的基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法，其特征在于：在步骤2）中，可通过总控制阀（3），控制有机废水流进第一反应器（6）和第二反应器（8）的流速。

6.根据权利要求1所述的基于微孔矿物吸附耦合微波降解的有机污染物去除方法，其特征在于：在步骤3）中，检测反应器出水口流出的水体中有机污染物浓度的时间间隔为1个小时。