超聲波技術(shù)在含酚有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

肖子瑞，周寅飛

(1.南京市自來水總公司，江蘇南京 210018;2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系，江蘇揚(yáng)州 225127)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，廢水處理廠的規(guī)模不斷擴(kuò)大，處理程度不斷提高。然而有機(jī)廢水嚴(yán)重污染環(huán)境，造成地面水體惡化，對(duì)人體健康和整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成了威脅。有機(jī)廢水處置已成為困擾廢水處理廠和全社會(huì)的重大問題。近年來，發(fā)現(xiàn)超聲波可用于降解有機(jī)廢水。

超聲波降解廢水中的有機(jī)污染物是一項(xiàng)新型的水處理技術(shù)，它集高級(jí)氧化、熱解、超臨界氧化等技術(shù)于一體，操作簡(jiǎn)單，降解速度快，既能單獨(dú)處理，又可以和其他水處理技術(shù)聯(lián)合使用，具有廣泛的應(yīng)用前景，是一種環(huán)境友好型水處理技術(shù)。本文主要對(duì)超聲波降解苯酚廢水的效果進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的研究。

1 含酚類有機(jī)廢水

有機(jī)廢水是以有機(jī)污染物為主的廢水，其易造成水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化，危害較大。排放有機(jī)廢水的行業(yè)較多，主要來源于食品、發(fā)酵、屠宰、皮革、造紙、制糖、橡膠、紡織、印染、農(nóng)藥、焦化、石化等工業(yè)廢水及城鎮(zhèn)生活污水。有機(jī)污染物的成分很復(fù)雜，常用生化需氧量(BOD)或化學(xué)需氧量(COD)綜合表示其含量，是有機(jī)廢水處理去除的主要指標(biāo)。近十年來，高濃度有機(jī)廢水和難生物降解有機(jī)廢水對(duì)環(huán)境造成極大的污染，這些污染源的有效處理一直是環(huán)境工程治理領(lǐng)域的難題。

酚類化合物常作為工業(yè)生產(chǎn)廢水排放到自然環(huán)境中，是毒性極大的污染物，是美國(guó)環(huán)保局重點(diǎn)控制的129種污染物之一，也是我國(guó)優(yōu)先控制的污染物之一，這些廢水如果不經(jīng)處理大量排放，將會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

有機(jī)廢水處理的基本任務(wù)是去除其中各種有機(jī)物，而有機(jī)廢水的復(fù)雜性使得其處理方法幾乎包容廢水處理的所有處理方法。傳統(tǒng)方法有分離處理、轉(zhuǎn)化處理、稀釋處理等。超聲波技術(shù)能夠有效地破壞或者改變復(fù)雜化合物及難以生物降解材料的結(jié)構(gòu)，從而能氧化分解傳統(tǒng)方法所不能處理的廢水。這一特性使其在廢水處理中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 超聲波降解技術(shù)

超聲波降解廢水中有機(jī)污染物的研究仍處于基礎(chǔ)研究階段，使用的范圍較小，聲能的利用率還較低，目前對(duì)于特定的系統(tǒng)還缺乏深入的研究，多屬于證實(shí)超聲波在水處理中的適用性，現(xiàn)在普遍認(rèn)為超聲波降解水體中有機(jī)物的降解機(jī)理為空化理論及自由基理論。超聲降解有機(jī)物的機(jī)理可主要?dú)w結(jié)為如三個(gè)方面。

2.1 熱分解

熱分解發(fā)生在空化泡內(nèi)，可以將進(jìn)入空化泡中的液體分子或溶于水的有機(jī)物汽化，聚集在空化泡內(nèi)的能量足以將難斷裂的化學(xué)鍵打斷。

2.2 H·和·OH自由基氧化

在水溶液中主要的熱反應(yīng)是將水分子分解，空化泡內(nèi)產(chǎn)生具有較高活性的H·和·OH自由基，它們進(jìn)入水溶液與水中的有機(jī)物進(jìn)行接觸并將有機(jī)物氧化。在空化泡內(nèi)主要是熱分解，而在空化泡外的主要是自由基氧化。

2.3 等離子化學(xué)和高級(jí)氧化

在空化泡的內(nèi)表面上，其溫度和壓力都超過了臨界條件，超臨界流體具有類似氣體的良好的流動(dòng)性，同時(shí)又有遠(yuǎn)大于氣體的密度，因此具有許多獨(dú)特的理化性質(zhì)。在臨界狀態(tài)下，廢水中所含的有機(jī)物被分解成水、二氧化碳等簡(jiǎn)單無害的小分子。

不同的超聲波頻率、強(qiáng)度、密度和輻射時(shí)間等通過影響空化效率來影響廢水中污染物的降解。而有機(jī)廢水自身的特性直接影響污染物降解速率，如pH值、污染物的揮發(fā)性、極性、形態(tài)結(jié)構(gòu)等。

3 超聲波技術(shù)處理苯酚廢水

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

苯酚(分析純)，HCl(分析純)，NaOH(化學(xué)純);KQ－250E型超聲波發(fā)生器，紫外分光光度計(jì)，便攜式pH測(cè)量?jī)x。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

3.2.1 配制儲(chǔ)備液

用分析天平稱取1.000 g的分析純苯酚，配制成一定濃度的苯酚溶液，置于棕色容量瓶中，避光保存。

3.2.2 配制反應(yīng)液

取一定量上述配制的苯酚儲(chǔ)備液，用蒸餾水稀釋，根據(jù)需要用氫氧化鈉和鹽酸溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值，定容到一定體積，得到待實(shí)驗(yàn)用的反應(yīng)液。

3.2.3 超聲處理

取250 mL反應(yīng)液，放入超聲波發(fā)生器內(nèi)進(jìn)行降解反應(yīng)，超聲發(fā)生器輸出功率250 W、工作頻率40 kHz，反應(yīng)槽加蓋密封，開啟超聲發(fā)生器，反應(yīng)一定時(shí)間后取樣測(cè)定溶液中的苯酚濃度。

3.3 分析方法

采用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定苯酚濃度在最大吸收波長(zhǎng)λ=269.5 nm，測(cè)定其吸光度，同構(gòu)回歸方程得到苯酚的降解率。

3.4 結(jié)果與討論

3.4.1 初始濃度對(duì)苯酚超聲降解的影響

配制初始濃度分別為 40.16、91.27、135.15、172.22 mg/L的苯酚反應(yīng)液各200 mL，在pH值為7，溫度為30℃條件下，用超聲波輻照4 h，不同初始濃度的苯酚的超聲降解效果如圖1所示。

圖1 不同初始濃度對(duì)苯酚降解效果的影響

由圖1可知，苯酚初始濃度對(duì)降解效果的影響比較明顯。在40～170 mg/L的濃度范圍內(nèi)，苯酚的降解率先是隨初始濃度的增加而增加，當(dāng)濃度達(dá)到135 mg/L左右時(shí)其降解效率最好，隨后其降解率又隨初始濃度的增加而降低。由此可見，超聲對(duì)苯酚的降解效果并不是濃度越低越好，在一定范圍內(nèi)，較大溶液初始濃度對(duì)苯酚的降解去除率較大;并且通過對(duì)反應(yīng)時(shí)間的測(cè)定，確定超聲最佳反應(yīng)時(shí)間為4 h。

3.4.2 溫度對(duì)苯酚超聲降解的影響

配制初始濃度為135 mg/L，pH值為7的苯酚溶液各200 mL，分別在20、30、40、50 ℃條件下用超聲波輻照4 h，不同溫度對(duì)苯酚的降解效果如圖2所示。

圖2 不同溫度對(duì)超聲降解的影響

由圖2可知，經(jīng)過4 h的反應(yīng)，20℃條件下，苯酚的降解率為1.21%，30℃條件下，苯酚的降解率為4.20%。由此說明，并不是溫度越高超聲降解的效果越好，但是較高溫度可促進(jìn)苯酚的降解。溫度升高使得超聲的空化效應(yīng)提高，促使大量的苯酚進(jìn)入空化泡進(jìn)行裂解反應(yīng)，但是另一方面過高的溫度又使液體的黏度增加減弱了空化強(qiáng)度，因此，適宜的溫度可有效提高苯酚的降解。

3.4.3 曝氣對(duì)苯酚超聲降解的影響

曝氣是在溶液底部通入空氣，可強(qiáng)化傳質(zhì)效果，加速降解。配制初始濃度為135 mg/L，pH值為3的苯酚反應(yīng)液各200 mL，反應(yīng)溫度為40℃，在超聲波輻照苯酚水溶液的過程中分別在僅曝氣處理、僅超聲輻照處理、超聲和曝氣聯(lián)合處理的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，苯酚水溶液經(jīng)的超聲波輻照4 h，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，單獨(dú)曝氣時(shí)苯酚的降解率僅有1.58%;單獨(dú)超聲波輻照時(shí)苯酚的降解率為5.64%;同時(shí)曝氣和超聲時(shí)苯酚的降解率為6.78%，比兩者中任何一個(gè)因素單獨(dú)作用時(shí)的效果都要高。這是因?yàn)樵诔曒椪毡椒铀芤旱倪^程中同時(shí)通入空氣后，水中產(chǎn)生的·OH自由基的量增加，從而使苯酚和·OH自由基反應(yīng)幾率增大。

4 結(jié)論

圖3 曝氣對(duì)苯酚降解效果的影響

超聲波降解苯酚具有一定的效果，并且苯酚初始濃度、溫度等因素對(duì)苯酚的超聲降解影響都比較大。在135 mg/L，初試溫度為30℃，反應(yīng)4 h，曝氣和超聲聯(lián)合處理時(shí)，苯酚的降解率可達(dá)6.78%。由于苯酚為難降解有機(jī)物，單獨(dú)的超聲處理苯酚，即使選擇最佳條件也不能達(dá)到理想的效果，而物理能場(chǎng)和化學(xué)氧化劑的結(jié)合可大大提高苯酚的降解率。