活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　異丙醇是來自半導體和光電制造行業的常見廢溶劑。是一種無色，易燃且具有強烈氣味的化合物，在電子和精密機械行業中用作清潔劑。本次我們測試使用微波誘導的催化氧化工藝處理合成異丙醇廢水的可行性。通過基于中心復合設計的響應面方法研究并優化了氧化劑，過氧化氫，初始異丙醇濃度和活性炭催化劑用量這三個獨立變量對異丙醇去除效率的影響。

　　微波誘導催化中活性炭的作用

　　活性炭催化劑在微波誘導的催化氧化過程中起重要作用。它必須是一種能夠吸收微波的材料，既能夠產生大量的表面“熱點”(發生更快速的氧化)，又能夠產生大量的•OH催化，從而在較短的照射時間內降解明顯的。除此之外，在氧化過程中活性炭催化劑的另一個明顯特征可以是表面積和孔結構。活性炭的大表面積和孔隙率能夠提供許多活性位點，以觸發有機污染物氧化的化學反應。對比幾種催化劑，例如氧化銅，零價鐵，氧化鎳，活性炭或活性炭負載金屬的研究，以提高微波誘導的催化氧化過程中有機化合物的去除率。其中，由于活性炭的表面積和吸附率與出色的微波能量吸收能力，活性炭有望成為異丙醇降解的催化劑。

　　實驗步驟和分析方法

　　圖1是實驗室設置的示意圖。微波消解實驗站用于產生微波能量。在標準反應運行中，將10 mL異丙醇溶液轉移到100 mL鐵氟龍容器中。在攪拌下將所需體積的過氧化氫溶液(30%)注入到容器中。然后，將一定量的活性炭催化劑添加到該異丙醇溶液中，并在微波消解實驗室站中照射120秒。在所有實驗中，溶液溫度均保持在80±2°C，MW功率保持在600W。

　　圖1：微波反應器系統示意圖。

　　過氧化氫和初始異丙醇濃度對總有機碳去除的影響

　　圖2顯示了總有機碳去除效率百分數與H 2 O 2濃度和初始異丙醇濃度的關系。從響應輪廓中可以看出，將異丙醇初始濃度從0.038 M增加到0.743 M，導致TOC去除率從85.17%急劇降低到46.29%。可能是因為在相同的應用反應條件下，自由基(OH•)的數量保持恒定，而初始異丙醇濃度卻增加了。換句話說，相對較少量的氧化基團可用于攻擊異丙醇分子。類似地，總有機碳降解性能也隨著H 2 O 2濃度的增加而逐漸降低。過量的H 2 O 2可能促進自動清除反應的發生。

　　圖2：過氧化氫濃度和初始異丙醇濃度的相互作用效應及其對總有機碳去除率的影響。活性炭的劑量保持恒定在90 g/L。

　　活性炭的劑量和異丙醇初始濃度對總有機碳去除的影響

　　圖3展示了活性炭劑量和初始異丙醇濃度對總有機碳去除效率的相互作用。可以清楚地觀察到，在初始異丙醇濃度為0.1 M時，活性炭從40 g/L增加到140 g/L會使總有機碳去除效率從55%顯著提高到92%。活性炭催化劑用量越大，產生的羥基自由基和熱點數量就越大，導致總有機碳的降解率越高。該結果與其他研究一致，即催化劑在微波誘導的催化氧化過程中起著重要作用。從等高線圖可以得出結論，活性炭劑量范圍為108至123 g/L是總有機碳去除率比較好。

　　圖3：活性炭劑量和異丙醇初始濃度的相互作用效應及其對總有機碳去除率的影響。過氧化氫的濃度保持恒定在0.3M。

　　微波誘導活性炭催化氧化過程中異丙醇降解的機理

　　圖4中顯示機理。在微波輻射下，活性炭可以強烈吸收微波能量，隨后在活性炭表面形成許多“熱點”。更具體地說，在微波輻照期間，活性炭表面上的π電子的動能增加了，這使它們能夠從材料中跳出，通過電離周圍的大氣而形成``熱點''。這些“熱點”的溫度通常可以達到1200°C，導致選擇性加熱，分子旋轉并最終降低化學反應的活化能。因此，在溶解于水中的氧氣(O 2)的存在下，吸附在活性炭表面微“熱點”附近的異丙醇可以迅速分解。

　　圖4：活性炭微波過氧化氫聯合工藝中異丙醇降解的擬議機理。

　　在當前的研究中優化了過氧化氫，初始異丙醇濃度和活性炭的用量對總有機碳去除效率的影響。它們的結合為微波誘導的催化氧化過程的優化提供了強大的工具。此外，評估了微波對合成異丙醇水溶液中總有機碳降解的影響。發現隨著活性炭用量的增加和初始異丙醇濃度的降低，總有機碳的去除率也隨之增加。另一方面，隨著過氧化氫濃度的增加，總有機碳去除效率逐漸降低。

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