微波處理焦化尾水中難降解有機物的GC/MS分析

羅飛翔，蔡昌鳳，孫　敬,宋丹丹

(安徽工程大學 生物與化學工程學院，安徽 蕪湖　214000)

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微波處理焦化尾水中難降解有機物的GC/MS分析

羅飛翔，蔡昌鳳，孫敬,宋丹丹

(安徽工程大學 生物與化學工程學院，安徽 蕪湖214000)

摘要：對焦化尾水中生物法難降解的有機物用微波消解，結合固相萃取技術(SPE)及氣相色譜/質譜(GC/MS)法對焦化尾水中有機物進行檢測分析，探討了焦化尾水中難降解有機物在微波消解下的降解效果與機理。進行了不同pH值(3，原水，8.5)、消解時間(4 min，6 min)、微波功率(600 W，1 000 W)、恒壓(P=0.2 MPa)下的微波消解實驗。結果發(fā)現(xiàn)：微波處理后，COD由原來的238 mg/L下降到100 mg/L以內，去除率達到57%～65%，恒壓消解罐中有固定碳產(chǎn)生。GC/MS分析表明：焦化尾水中有機物的總峰面積為31 152 370，其中苯系物和多環(huán)芳烴占有機物總量的90%以上，石油烴類占有機物總量的4.99%，鄰苯二甲酸酯類物質占有機物總量的1.93%；經(jīng)微波消解后有機物的總峰面積降到444 529以下，其中苯系物及雜環(huán)化合物占其有機物總量的20%以下，石油烴占其有機物總量的40%以上，酮類約占其有機物總量的20%，酯類以及其他物質占其有機物總量的20%左右。結果表明：在微波輻照下，原水中苯系物以及多環(huán)芳烴等有機物吸收微波，發(fā)生斷鏈、脫氫、生焦，但長鏈石油烴含量在微波消解后并未發(fā)生太大變化。

關鍵詞：焦化尾水；微波；GC/MS；難降解有機物；降解機理

焦化廢水是原煤在高溫干餾、煤氣凈化和化工產(chǎn)品精制過程中產(chǎn)生的一種有毒且較難降解的有機廢水[1]。由于焦化廢水中的鄰苯二甲酸酯(PAEs)、多環(huán)芳烴(PAHs)以及雜環(huán)化合物通常是強致癌物質，難以被生物降解，且在經(jīng)過生化處理后的二沉池出水中仍有長鏈烷烴、芳烴以及多種雜環(huán)化合物，致使處理后的廢水不能達標排放[2]。這不但對環(huán)境造成了嚴重危害，同時也直接威脅到人類健康。我國目前對焦化廢水的處理普遍采用活性污泥A/O、A2/O、SBR以及固定化生物技術等，但這些工藝普遍需要較長的水力停留時間，且出水的達標率仍然很低。針對焦化廢水的處理現(xiàn)狀，一般焦化企業(yè)在經(jīng)二級生化處理后都會進行進一步的深度處理。目前國內深度處理一般采用催化氧化法、微電解法、電極法、聯(lián)合處理方法以及循環(huán)組合工藝[3-7]等。

微波處理有機廢水作為一種新型的水處理方法，能提高污染物的去除速率，尤其是能提高難以被生物降解的有機污染物的去除效率，已成功用于染料等難降解有機廢水和農藥等有毒有害廢水的處理中[8-9]。一些學者認為：微波加熱存在熱點效應和非熱點效應。熱點效應是指物質吸收微波將其轉化為熱能，使物質表面選擇性加熱至高溫，從而使大分子有機物轉化為小分子有機物；非熱點效應是指極性分子在微波輻照下處于震蕩狀態(tài)，降低了它的化學鍵強度，從而降低了反應的活化能，加快了污染物的降解速率[10-11]。

鑒于微波處理難降解有機廢水具有的短時、高效等優(yōu)點，本文采用了微波輻照處理焦化廢水的生化處理出水，分析出水中難降解有機物的降解效果。

1實驗

1.1試劑和儀器

重鉻酸鉀、硫酸、硫酸銀、氫氧化鈉、硫酸亞鐵銨、甲醇、二氯甲烷，均為分析純；試亞鐵靈指示劑。

MDS-6型微波消解儀，購自西安中諾儀表儀器有限公司；SUPELCO固相萃取裝置，購自上海析友儀器有限公司；GC/MS QP2010plus，購自日本島津；PHSJ-3F pH計,購自上海雷磁儀器廠；HT-9012A COD恒溫加熱器，購自青島海特爾環(huán)?？萍加邢薰?。

1.2廢水樣品

實驗所用水樣為某焦化廠焦化廢水生化處理站二沉池出水，水樣的CODcr值為237.95 mg/L，水樣的pH值為8.5。

1.3實驗方法與內容

1.3.1實驗方法

根據(jù)初步實驗結果設計了微波功率、微波消解時間以及水樣pH值3因素2水平實驗(見表1)。利用MDS-6型微波消解儀對水樣進行恒壓(P=0.2 MPa)消解，待溶液冷卻后測COD值，進行固相萃取。對固相萃取后得到的有機相進行氣相色譜/質譜測定分析。

1.3.2固相萃取(SPE)實驗流程

1) 小柱的活化：取甲醇5 mL通過固相萃取小柱(envi-carb柱)，并浸泡2 min，使小柱得到活化，再用5 mL去離子水沖洗小柱，將甲醇頂出柱子。

2) 水樣的富集：將20 mL經(jīng)過微波處理后的水樣以5 mL/min的速度通過固相萃取小柱，使得有機相截留在小柱上。

3) 小柱的干燥：用高純氮氣將小柱在真空狀態(tài)下吹干。

4) 待測物的洗脫與收集：用配制好的洗脫液(CH2Cl2與CH3OH的體積比為9∶1)3 mL通過固相萃取小柱，用玻璃接收管收集洗脫后的液體。

5) 待測物的濃縮與定容：用高純氮氣將洗脫后的液體緩慢吹掃，使其定容到1 mL。

1.3.3氣相色譜/質譜(GC/MS)分析操作

柱體選用HP-5MS石英毛細管柱；GC：進樣口溫度250 ℃；載氣：氦氣；流速：1.2 mL/min；分流比：20∶1；升溫程序：50 ℃保持2 min，以10 ℃/min上升至160 ℃，然后以20 ℃/min上升至250 ℃，保持12 min；MS：離子源溫度為230 ℃，電子能量為70 eV，鉬四級桿質量分析器接口溫度為250 ℃；質量掃描范圍m/z為40～460；溶劑延退時間為3 min，進樣量為1 μL。

2結果與討論

2.1不同微波條件實驗結果

初步實驗表明：pH值、消解時間、微波功率等因素的改變對原水有機物的去除影響較大，故本實驗分別改變這3個因素對原水進行微波消解分析。實驗結果見表1。表中： COD去除率=[(COD反應前-COD反應后)/COD反應前]×100%；總峰面積去除率=[(原水總峰面積-微波處理后的總峰面積)/原水總峰面積] ×100%。

表1　焦化二沉池出水微波處理條件及結果

由表1可知：對于濃度相同的焦化廢水生化處理尾水，經(jīng)微波消解，COD顯著降低，即由原水COD值為238 mg/L下降至COD值小于100 mg/L，達到《煉焦工業(yè)污染物排放標準》中焦化廢水的間接排放標準。在不同的微波條件下COD的去除率有差異，COD的去除率范圍一般為57.53%～65.67%。GC/MS分析檢出物總峰面積去除率高達 98.57 %～99.59 %。

2.2固相萃取(SPE)與氣質聯(lián)用(GC/MS)分析結果

將焦化廢水生化處理二沉池出水原水和微波消解實驗后的冷卻水樣各取20 mL進行固相萃取(SPE),最后將固相萃取濃縮洗脫收集的1 mL待測物進行氣質聯(lián)用(GC/MS)分析，分析結果見圖1～5 和表2～6。

圖1　二沉池出水GC/MS檢測圖譜

種類有機物名稱峰面積百分比峰面積苯系物,多環(huán)芳烴(91.25%)乙苯0.63198405異丙苯0.3967841,2-二苯基-1-異腈基乙烷0.85268273(2-苯基環(huán)丁基)苯6.792154142(2,3-二苯基環(huán)丙基)甲基苯基砜82.6826236329石油烴(4.99%)1,3,5,7-環(huán)辛四烯4.61459583正十三烷0.22710181-碘壬烷0.1753972酯類(1.93%)鄰苯二甲酸二乙酯0.72229445鄰苯二甲酸二異辛酯1.21384419總峰面積 98.1731152370

由表2可知：焦化廢水生化處理二沉池出水中含有大量的多環(huán)芳烴，尤其以(2,3-二苯基環(huán)丙基)甲基苯基砜為主，占其有機物總含量的82.68%，石油烴類占有機物總含量的 4.99 %。表明多環(huán)芳烴和長鏈石油烴類難以用生物法降解。

圖2　pH值=3、功率為600 W微波消解4 min后

表3　pH值=3、功率為600 W微波消解4 min后

圖3　pH值=8.5、功率為600 W微波消解6 min后

圖4　pH值=8.5、功率為1 000 W微波消解4 min后

種類有機物名稱峰面積百分比峰面積苯系物(4.72%)4-芐氧基-3-甲氧基-2-硝基苯甲醛3.215101(2-苯基環(huán)丁基)苯1.512395石油烴(41.16%)正十三烷41.1665301酮類(20.24%)4-戊烯-2-酮2.6742452-甲基-3-戊酮2.9246352,3-庚二酮9.9157203-己酮4.757546酯類(33.88%)丁基丙基酯2.336582-乙基己基己基酯31.5850116總峰面積 100158717

圖5　pH值=3、功率為1 000 W微波消解6 min后

種類有機物名稱峰面積百分比峰面積苯系物、雜環(huán)化合物(12.54%)3,4-雙乙酰呋咱5.3382254-芐氧基-3-甲氧基-2-硝基苯甲醛3.2149481,3-二苯基環(huán)丁烷2.483820N-甲氧基羰基-十二烷基酯1.522347石油烴(43.29%)正十三烷43.2966731酮類(26.88%)2,2,5-三甲基-3,4-己二酮2.3936892-甲基-4-庚酮24.4937763酯類(6.42%)2-乙基己基己基酯6.429897其他(2.48%)丙酸酐2.483829總峰面積 91.61141249

由以圖1～5和表2～6可知：在微波處理下廢水中有機物含量顯著降低，且在不同條件下處理后的廢水中含有的物質也大致一樣，主要有苯系物、雜環(huán)化合物、石油烴、酮類、酯類等幾大類，但含量已遠遠低于原廢水。

在微波消解后廢水水樣中主要含有長鏈烷烴、酯類以及酮類3類物質，以正十一烷、正十三烷、2-乙基己基己基酯、3-己酮、2-甲基- 4-庚酮、2,5-二甲基-3-己酮、2,3-庚二酮為主，除長鏈烷烴為原水中含有以外，其他有機物皆于微波消解時產(chǎn)生。原水改變pH值后，檢出物總峰面積去除率并未提高；相反，在酸性條件下水樣經(jīng)微波處理后苯系物以及雜環(huán)化合物在處理后的有機物總量中比例有所提高，且經(jīng)微波處理后生成的有機物種類也較未改變pH值的水樣要多。因此，在實際工藝中無需改變原水pH值。改變微波的消解時間后，廢水中的COD去除率以及GC/MS檢出物峰面積去除率都有提高。提高微波消解功率對其處理效果未產(chǎn)生促進作用。

2.3降解機理分析

1) 本實驗采取壓力主控的方式將廢水在0.2 MPa 下進行消解處理。由于在密閉的消解罐中，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，在恒定體積下，不考慮廢水自身的氣化，壓力由0.1 MPa增加到0.2 MPa，消解罐中溫度可達到300 ℃以上。在此溫度下，實驗中在恒壓消解罐內有大量黑色固定碳產(chǎn)生，這是因在高溫高壓下有機物脫氫而成。廢水中溶解有機物含量減少，從而使廢水的COD值降低。

2) 原廢水主要含有苯系物以及多環(huán)芳烴，尤以(2,3-二苯基環(huán)丙基)甲基苯基砜為主，占其有機物總含量的82.68%。在經(jīng)過微波處理后，該物質吸收微波后進行分解，斷開側鏈生成苯，苯在300 ℃以上生成聯(lián)苯,在400 ℃以上脫氫縮合為多環(huán)芳烴,在較高溫度下脫氫聚合生成焦炭[12-13]。反應生成的環(huán)丙烷很不穩(wěn)定，易開環(huán)生成烷烴。反應生成的亞砜在高溫下可生成硫醚，硫醚在高溫下易揮發(fā)。

3) 原水中含有的酯類物質主要以鄰苯二甲酸酯(PAEs)類為主。該類物質在吸收微波后產(chǎn)生的羥基自由基首先攻擊苯環(huán)和側鏈酯基相連的C-C鍵。 隨著C-C鍵的斷裂,鄰苯二甲酸酯被逐步分解為小分子[14]。

4) 由表2可知：原水中含有的石油烴主要有1,3,5,7-環(huán)辛四烯(4.6%)、正十三烷以及1-碘壬烷。環(huán)辛四烯在高溫下易發(fā)生重排反應生成雙環(huán)化合物，而生成的雙環(huán)化合物很不穩(wěn)定，易破裂生成芳香族化合物[15]，生成的芳香族化合物在微波高溫誘導下便脫氫聚合生成焦炭。而長鏈烷烴需要在很高的溫度下才能發(fā)生裂解，本次實驗未能達到其裂解的溫度。由表3～6可知：經(jīng)微波處理后長鏈烷烴依然存在，含量未發(fā)生太大變化。

5) 經(jīng)過微波處理后的水樣中產(chǎn)生了一些原水中未含的有機物，這是在微波輻照下在大分子物質降解成小分子物質時生成的中間產(chǎn)物。

3結論

1) 焦化尾水在經(jīng)過微波消解的深度處理后， COD值可從238 mg/L降到100 mg/L之內，去除率達57%以上，達到了《煉焦工業(yè)污染物排放標準》中焦化廢水的間接排放標準。檢出物總峰面積去除率達到98%以上，特別是對苯系物以及多環(huán)芳烴等難降解的有機物的去除取得了很好的效果。

2) 利用微波對焦化尾水進行深度處理，發(fā)現(xiàn)pH值、消解時間、微波功率對其處理效果有影響，影響程度為：消解時間>pH值>微波功率。

3) GC/MS分析表明：焦化廢水生化處理出水未被降解的有機物主要為長鏈烷烴、苯系物、多環(huán)芳烴、酯類等物質。在微波輻照深度處理后，難降解有機物的總量有了大幅度的降低。苯系物以及多環(huán)芳烴等有機物吸收微波，發(fā)生斷鏈、脫氫、生焦，或生成烷烴、酯類以及酮類等物質，但長鏈石油烴未發(fā)生太大變化。

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(責任編輯陳艷)

Microwave Treatment of Refractory Organic Compounds in Coking Tail Water by GC/MS Analysis

LUO Fei-xiang, CAI Chang-feng, SUN Jing, SONG Dan-dan

(College of Biochemstry & Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 214000, China)

Abstract:The refractory organic matter of coking tail water biological method was digested with microwave, and coking tail organic compounds in water were detected and analyzed combined with solid phase extraction (SPE) and gas chromatography/mass spectrum (GC/MS) method, and the effect and mechanism of degradation under microwave digestion of coking refractory organics in the tail water was discussed. Experimental microwave digestion under different conditions of pH (3, raw water 8.5), digestion time (4 min, 6 min), microwave power (600 W, 1 000 W), constant pressure (P=0.2 MPa) were carried out. The results show that: after microwave treatment, COD is increased from 238 mg/L down to less than 100 mg/L, and the removal rate reaches 57%～65%, and there is constant pressure digestion tank fixed carbon produced. GC/MS analysis showed that: total peak area of organic compounds in coking tail water is 31,152,370, and the BTEX and PAHs accounts for more than 90% of the total organic compounds, and petroleum hydrocarbons accounts for 4.99% of the total organic compounds, and phthalates accounts for 1.93% of the total organic compounds. After microwave digestion, the organic compounds below the total peak area drops to 444,529, including BTEX and heterocyclic compounds account for 20% or less of the total organic compounds, petroleum hydrocarbons accounted for more than 40% of the total organic compounds, and ketones account for its organic 20% of the total, and 20% of its esters and other organic substances is about the total. Considered under microwave irradiation, raw water BTEX and polycyclic aromatic hydrocarbons and other organic compounds absorb microwaves, and has chain scission, dehydrogenation and coke; but the long chain of petroleum hydrocarbon content has not changed much after microwave digestion.

Key words：coking tail water；microwave；GC/MS；refractory organic；degradation mechanism

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A 1674-8425(2016)03-0057-07

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.03.010

作者簡介：羅飛翔(1992—)，男，安徽無為人，碩士研究生，主要從事廢水處理研究; 通訊作者：蔡昌鳳(1956—)，女，安徽無為人，教授，碩導，主要從事廢水處理研究。

基金項目：安徽省自然科學基金資助項目(08040102002)

收稿日期：2015-11-26

引用格式：羅飛翔，蔡昌鳳，孫敬,等.微波處理焦化尾水中難降解有機物的GC/MS分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(3):57-63.

Citation format：LUO Fei-xiang, CAI Chang-feng, SUN Jing, et al.Microwave Treatment of Refractory Organic Compounds in Coking Tail Water by GC/MS Analysis[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(3):57-63.