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皂素工业是我国特有的生物化工行业,主要集中在适宜黄姜生长的秦巴山区的湖北、陕西、河南等省。目前黄姜提取皂素仍然采取传统、粗放、污染重的“发酵→酸解”工艺,该工艺不仅产生严重的废水污染,而且在排放大量经硫酸处理的工业废渣。解决黄姜皂素的废水、废渣是近几年黄姜产业需要攻克的重要难题之一,也是促进黄姜产业持续良好发展的重要前提,受到国家相关部门的高度重视。
笔者所在课题组自2002年左右开始关注皂素生产工业,在黄姜皂素三废治理技术开发上取得了诸多成果:2004年针对黄姜皂素废水开发了“三阶段两相厌氧”工艺;针对黄姜皂素工业废渣污染开发了生产人造板材料的专利技术。本论文以上述成果为基础,进行了黄姜皂素工业废渣制备活性炭、自制活性炭用于黄姜皂素废水的脱色的研究,得到了以下主要结论:
(1)获得了黄姜皂素工业废水色度与吸光度的线性关系曲线,证实可以废水在300nm波长下的吸光度来表征废水的色度。
(2)以碘吸附值、亚甲基蓝吸附值为考察指标,利用微波加热方式、磷酸活化进行了制备活性炭的影响因素分析:
①磷酸浓度:磷酸浓度对碘吸附值影响较大,碘值随着磷酸浓度的增大而增大,但磷酸浓度达到70%后,碘吸附值略有下降;亚甲基蓝吸附值随着活化剂磷酸浓度的增大而缓慢增加。
②活化时间:碘吸附值及亚甲基蓝吸附值均随着活化时间增加而增大,但活化时间增加到6min后,碘吸附值及亚甲蓝吸附值基本趋于恒定。
③浸渍时间:碘吸附值及亚甲基蓝吸附值随着浸渍时间的延长其值基本没有显著的变化。
(3)选择磷酸浓度、活化时间、浸渍时间为考察因素,进行正交实验,结果表明:各因素影响程度顺序为炭活化时间>磷酸浓度>浸渍时间;最佳工艺组合为:磷酸浓度为65%、活化时间为7min、浸渍时间为2h。该条件下制得的活性炭碘吸附值为533mg/g、亚甲基蓝吸附值为86mg/g。
(4)通过SEM图谱及原渣热重分析曲线分析,黄姜皂素工业废渣在磷酸活化、微波加热制备活性炭的过程中表观形貌发生了明显的变化,表面孔隙清晰可见,残存在原料中的碎屑显著减少;微波在磷酸活化过程中起到了高效的加热效果、促进了活化剂磷酸与黄姜皂素工业废渣的浸渍,使原料的炭化温度区间由158℃-393.5℃缩短在200℃左右,因而磷酸在刻蚀炭表面方面起了重要作用。
(5)黄姜黄色素适合大孔结构的活性炭吸附。试剂用活性炭主要是中微孔结构,而自制活性炭的孔结构主要是大孔结构,因而自制活性炭与试剂用活性炭同时应用于黄姜皂素废水(经三阶段两相厌氧→生物接触氧化处理后的出水)脱色实验时:自制活性炭对黄姜皂素废水的脱色效果明显优于试剂用活性炭,在活性炭投加量均为1g/0.1mL、废水浓度为实验用水的0.05倍时:自制活性炭对其色度的去除率可达到91.2%,而试剂用活性炭仅为60%;随着废水浓度的增加,自制活性炭吸附量远大于试剂用活性炭,在废水浓度为1时,自制活性炭对色度的单位质量吸附量是试剂用活性炭的6倍。
(6)分析了静态吸附时活性炭用量、脱色时间、脱色温度对色度去除率的影响。结果表明:以试验废水为脱色处理对象,最佳投加量为3g/0.1L、最佳脱色时间为30min、最佳脱色温度为20℃。最佳脱色条件下色度去除率在89.5%左右,色度降低为42倍,低于《黄姜皂素工业水污染物排放标准》(GB20425-2006)表2中规定的限值80倍,满足出水对色度的要求。