納米TiO2處理鉆井廢水研究

王 松，樊 營 (長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

王浩任 (中國石化集團工程研究院大陸架公司,山東 德州 253000)

張順元 (中國石油集團工程研究院海外所,北京 100195)

納米TiO2處理鉆井廢水研究

王 松，樊 營 (長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

王浩任 (中國石化集團工程研究院大陸架公司,山東 德州 253000)

張順元 (中國石油集團工程研究院海外所,北京 100195)

油田鉆井廢水成分復雜，若處理不當將會對環(huán)境造成嚴重影響。分析了江漢油田鉆井廢水的水質(zhì)特性，采用酸化中和、混凝進行預處理，并用納米TiO2對江漢油田鉆井廢水進行了深度處理，同時確定了納米TiO2光催化處理鉆井廢水的適宜條件，即納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右、初始pH值為4、光催化氧化反應時間100～120min、光距40～80mm。試驗結(jié)果表明，經(jīng)過處理后的江漢油田鉆井廢水各項污染指標均達到國家規(guī)定的污水排放標準。

江漢油田；鉆井廢水；納米TiO2

工業(yè)廢水特別是石油鉆井廢水，這類廢水含有許多對人體有害的物質(zhì)，如酚類、芳烴及其衍生物、重金屬等，種類繁多，污染環(huán)境，危害人體健康，因而各國政府都對鉆井廢水的處理和排放提出了嚴格的要求，為此研究者提出了相關(guān)處理方法[1-6]。下面，筆者利用納米TiO2作為光敏半導體材料催化氧化處理工業(yè)污水，實現(xiàn)回收利用或達標排放，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

1 試劑與儀器

1.1試劑

硫酸亞鐵銨；重鉻酸鉀；濃硫酸；30%雙氧水；硫酸銀；硫酸汞；FeSO4·7H2O；硫酸鋁；硫酸鐵；氯化鋁、氯化鐵；鄰菲啰啉；納米TiO2。以上藥劑均為化學純。

1.2儀器

JJ-1精密增力電動攪拌器；FA-N/JA-N電子天平；pHs-3C精密酸度計；COD125 測定儀；AQ2010濁度儀；高速離心機；紫外燈。

2 結(jié)果與討論

2.1鉆井廢水水質(zhì)分析

由于鉆井廢水種類繁多，成份各不相同，選用江漢油田鉆井廢水作為處理對象，其水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 鉆井廢水的水質(zhì)分析結(jié)果

注：①本標準采用《污水綜合排放標準》GB8978-1996[7]。②COD:化學需氧量。③SS:懸浮物。

從表1可以看出，該油田鉆井廢水的各項指標均超標，需要進行處理。

2.2鉆井廢水的預處理

1)酸化 取水樣加入H2SO4調(diào)節(jié)pH值分別為1、2、3、4和5，攪拌后倒入量筒靜置沉淀，取上清液測COD和色度，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，pH值為3比較合適。

表2 酸化處理結(jié)果

2)中和 取經(jīng)酸化至pH值為3的水樣加入NaOH,調(diào)節(jié)pH值為8，攪拌后倒入量筒靜置沉淀，取上清液測得結(jié)果如下：COD為2360mg/L；色度為140倍(棕黃色)；濁度為33.4。

3)鉆井廢水的混凝處理 將等量150mg/L混凝劑FeCl3、Al2(SO4)3、AlCl3、Fe2(SO4)3分別加入4個干凈燒杯中，再在每個燒杯分別加入100ml經(jīng)過預處理的鉆井廢水。用配制的硫酸溶液調(diào)pH值，攪拌30min后靜置60min，待分層后取上層清液測定COD，測試結(jié)果如表3所示。

表3 混凝劑的篩選試驗結(jié)果

由表3可以看出， AlCl3對鉆井廢水的混凝效果明顯優(yōu)于其他混凝劑，故選擇AlCl3為混凝劑。

2.3納米TiO2深度處理鉆井廢水

1)TiO2投加量對COD去除率的影響 取6份100ml經(jīng)預處理后的鉆井廢水，在300W紫外燈光照射下，光距為80mm，用NaOH溶液和H2SO4溶液調(diào)節(jié)廢液的pH值到4左右，在反應時間為60min的條件下，分別加入不同量的TiO2，結(jié)果如表4所示。

表4 TiO2投加量對COD去除率的影響

由表4可知，隨著TiO2用量增加，鉆井廢水COD去除率越來越大，在用量為200mg/L時，在一定時間內(nèi)COD去除率可以達到 68.19%；但當TiO2用量大于200mg/L時，鉆井廢水COD去除率不再增加，反而降低。其原因是當TiO2投加量增加到一定程度時，過量的催化劑反應會造成散射，再加上催化劑相互間的掩蔽作用，使得有效光子產(chǎn)率降低，導致光催化降解率下降。因此，確定納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右。

表5 初始pH值對COD去除率的影響

2)初始pH值對COD去除率的影響 取6份100ml經(jīng)預處理后的鉆井廢水，在300W紫外燈光照射下，加入TiO2200mg/L，光距為80mm，反應時間為60min的條件下，用NaOH溶液和H2SO4溶液調(diào)節(jié)廢液的pH值，COD去除率如表5所示。從表5可以看出，當溶液的pH值為4時，鉆井廢水COD去除率最大。因此，初始pH值以4為宜。

3)光催化氧化反應時間對COD去除率的影響 取6份100ml經(jīng)預處理后的鉆井廢水，考慮到廢水中加入納米TiO2后光照反應時間對COD去除率的影響，在300W紫外燈光照射下，加入TiO2200mg/L，用NaOH溶液和H2SO4溶液調(diào)節(jié)廢液的pH值在4左右，光距為80mm，反應時間分別為10、30、60、80、100和120min(見表6)。從表6可以看出，隨著反應時間的增長，鉆井廢水COD的去除率逐漸升高，在100min時，去除率上升的幅度很大，這表明在100min時反應已基本完成，因而光催化氧化反應時間以100～120min為宜。

4)光強對COD去除率的影響 取6份100ml經(jīng)預處理后的鉆井廢水，光強以光距(即光源距反應裝置的距離)來表示。在300W紫外燈光照射下加入TiO2200mg/L，用NaOH溶液和H2SO4溶液調(diào)節(jié)廢液的pH值在4左右，反應時間為100min,調(diào)節(jié)光距為20、40、60、80、100和120mm(見表7)。

表6 光催化氧化反應時間對COD去除率的影響

表7 光距對COD去除率的影響

從表7可以看出，當光距為40mm時鉆井廢水COD去除率明顯提高。當光距大于80mm后鉆井廢水COD去除率開始降低，說明光強太大或太小都不適于污水中有機物降解。因此，光距取40～80mm較為合適。

3 處理后的水質(zhì)分析結(jié)果

江漢油田鉆井廢水在經(jīng)過納米TiO2的深度處理后的水質(zhì)分析結(jié)果如表8所示。從表8可以看出，各項污染指標均能達到國家規(guī)定的污水排放Ⅱ級標準。

表8 納米TiO2處理后的鉆井廢水水質(zhì)分析結(jié)果

4 結(jié) 語

江漢油田鉆井廢水成分復雜，各項污染指標嚴重超標，對其處理可采用酸化、中和、混凝和TiO2光催化處理。通過室內(nèi)試驗確定了TiO2光催化處理鉆井廢水的適宜條件：納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右；初始pH值以4為宜；光催化氧化反應時間為100～120min；光距為40～80mm。結(jié)果表明，經(jīng)過上述條件處理后的該油田鉆井廢水各項污染指標均能達到國家規(guī)定的污水排放Ⅱ級標準。

[1]范崇政，肖建平，丁建偉.納米TiO2的制備與光催化反應研究進展[J].科學通報,2001，46(4):256-273.

[2]羅菊仙，趙中一.半導體多相光催化氧化技術(shù)在環(huán)境保護中的應用研究進展[J].中國地質(zhì)大學學報，2000，25(5):536-541.

[3]楊合，馬興冠，趙蘇.光催化技術(shù)在廢水處理中的應用[J].環(huán)境保護科學，2004，30(2):9-11.

[4]劉真.井下作業(yè)廢水處理的試驗研究[J].油氣田環(huán)境保護，2000，10(4):19-21.

[5]王春梅.TiO2光催化性能及在水處理中的應用[J].南通大學學報(自然科學版)，2005，4(1)：28-31.

[6]吳斌,王松,喻霞,等.納米TiO2處理油田壓裂廢液研究[J].長江大學學報(自然科學版),2009,6(4):N179-181.

[7] GB8978-1996,污水綜合排放標準[S].

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.017

X741

A

1673-1409(2012)09-N049-03

2012-06-24

王松(1964-)，男,1985年大學畢業(yè)，教授,現(xiàn)主要從事油田化學方面的教學與研究工作。

[編輯] 李啟棟