活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　异丙醇是来自半导体和光电制造行业的常见废溶剂。是一种无色，易燃且具有强烈气味的化合物，在电子和精密机械行业中用作清洁剂。本次我们测试使用微波诱导的催化氧化工艺处理合成异丙醇废水的可行性。通过基于中心复合设计的响应面方法研究并优化了氧化剂，过氧化氢，初始异丙醇浓度和活性炭催化剂用量这三个独立变量对异丙醇去除效率的影响。

　　微波诱导催化中活性炭的作用

　　活性炭催化剂在微波诱导的催化氧化过程中起重要作用。它必须是一种能够吸收微波的材料，既能够产生大量的表面“热点”(发生更快速的氧化)，又能够产生大量的•OH催化，从而在较短的照射时间内降解明显的。除此之外，在氧化过程中活性炭催化剂的另一个明显特征可以是表面积和孔结构。活性炭的大表面积和孔隙率能够提供许多活性位点，以触发有机污染物氧化的化学反应。对比几种催化剂，例如氧化铜，零价铁，氧化镍，活性炭或活性炭负载金属的研究，以提高微波诱导的催化氧化过程中有机化合物的去除率。其中，由于活性炭的表面积和吸附率与出色的微波能量吸收能力，活性炭有望成为异丙醇降解的催化剂。

　　实验步骤和分析方法

　　图1是实验室设置的示意图。微波消解实验站用于产生微波能量。在标准反应运行中，将10 mL异丙醇溶液转移到100 mL铁氟龙容器中。在搅拌下将所需体积的过氧化氢溶液(30%)注入到容器中。然后，将一定量的活性炭催化剂添加到该异丙醇溶液中，并在微波消解实验室站中照射120秒。在所有实验中，溶液温度均保持在80±2°C，MW功率保持在600W。

　　图1：微波反应器系统示意图。

　　过氧化氢和初始异丙醇浓度对总有机碳去除的影响

　　图2显示了总有机碳去除效率百分数与H 2 O 2浓度和初始异丙醇浓度的关系。从响应轮廓中可以看出，将异丙醇初始浓度从0.038 M增加到0.743 M，导致TOC去除率从85.17%急剧降低到46.29%。可能是因为在相同的应用反应条件下，自由基(OH•)的数量保持恒定，而初始异丙醇浓度却增加了。换句话说，相对较少量的氧化基团可用于攻击异丙醇分子。类似地，总有机碳降解性能也随着H 2 O 2浓度的增加而逐渐降低。过量的H 2 O 2可能促进自动清除反应的发生。

　　图2：过氧化氢浓度和初始异丙醇浓度的相互作用效应及其对总有机碳去除率的影响。活性炭的剂量保持恒定在90 g/L。

　　活性炭的剂量和异丙醇初始浓度对总有机碳去除的影响

　　图3展示了活性炭剂量和初始异丙醇浓度对总有机碳去除效率的相互作用。可以清楚地观察到，在初始异丙醇浓度为0.1 M时，活性炭从40 g/L增加到140 g/L会使总有机碳去除效率从55%显着提高到92%。活性炭催化剂用量越大，产生的羟基自由基和热点数量就越大，导致总有机碳的降解率越高。该结果与其他研究一致，即催化剂在微波诱导的催化氧化过程中起着重要作用。从等高线图可以得出结论，活性炭剂量范围为108至123 g/L是总有机碳去除率比较好。

　　图3：活性炭剂量和异丙醇初始浓度的相互作用效应及其对总有机碳去除率的影响。过氧化氢的浓度保持恒定在0.3M。

　　微波诱导活性炭催化氧化过程中异丙醇降解的机理

　　图4中显示机理。在微波辐射下，活性炭可以强烈吸收微波能量，随后在活性炭表面形成许多“热点”。更具体地说，在微波辐照期间，活性炭表面上的π电子的动能增加了，这使它们能够从材料中跳出，通过电离周围的大气而形成``热点''。这些“热点”的温度通常可以达到1200°C，导致选择性加热，分子旋转并最终降低化学反应的活化能。因此，在溶解于水中的氧气(O 2)的存在下，吸附在活性炭表面微“热点”附近的异丙醇可以迅速分解。

　　图4：活性炭微波过氧化氢联合工艺中异丙醇降解的拟议机理。

　　在当前的研究中优化了过氧化氢，初始异丙醇浓度和活性炭的用量对总有机碳去除效率的影响。它们的结合为微波诱导的催化氧化过程的优化提供了强大的工具。此外，评估了微波对合成异丙醇水溶液中总有机碳降解的影响。发现随着活性炭用量的增加和初始异丙醇浓度的降低，总有机碳的去除率也随之增加。另一方面，随着过氧化氢浓度的增加，总有机碳去除效率逐渐降低。

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