有機(jī)污染物方法處理研究

楊 沫，田 鵬*，黃 濤

(1.沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 能源與環(huán)境催化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2. 沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

有機(jī)污染物方法處理研究

楊 沫1，田 鵬*1，黃 濤2

(1.沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 能源與環(huán)境催化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2. 沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，出現(xiàn)了各種各樣污染物，其中有機(jī)污染物尤其嚴(yán)重。有機(jī)污染物多以高分子的形式存在于廢水、污水中，其毒性也是相對(duì)較大的。為了使人們?cè)谖磥?lái)處理有機(jī)污染物更加的便捷、高效、節(jié)能。我們利用超聲波等方法對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行降解，而其中二氧化鈦是較好的催化劑。

污染物；超聲波；降解；二氧化鈦

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的大量副產(chǎn)物隨之產(chǎn)生，包含了各種各樣的污染物[1]。這對(duì)我們的生活環(huán)境造成很大的污染。其中以廢水污染和廢氣污染最為嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重破壞的地球上的生態(tài)平衡。而工業(yè)廢水中，印染行業(yè)中的染料廢水污染最為嚴(yán)重。根據(jù)《染料索引》中的記錄，現(xiàn)有數(shù)萬(wàn)種顏料和染料，這些染料顏色各異，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，大部分以高分子形式存在于廢水中，毒性很大，對(duì)水體污染嚴(yán)重，其結(jié)構(gòu)不易被破壞且生物降解性能低。傳統(tǒng)的降解方法已經(jīng)不能解決這些工業(yè)廢水中的染料。

目前，在治理工業(yè)廢水，尤其是染料廢水上，主要采用化學(xué)法，物理化學(xué)法和生物法，例如吸附法，化學(xué)混凝發(fā)，內(nèi)電解法，氧化法，生物絮凝法和等[2]。傳統(tǒng)的污水處理方法在處理有機(jī)污染物，會(huì)遇到很多技術(shù)上的限制，造成資源浪費(fèi)或二次污染。例如，吸附法只適合能被活性炭等物質(zhì)吸附的污染物，對(duì)于很多污染不適用；絮凝法多以亞鐵鹽或鋁鹽為材料，費(fèi)用過(guò)高；電解法對(duì)于酸性有機(jī)污染物處理效果較佳，但需要消耗大量電能；所以人們?cè)谔剿饕环N新的方法來(lái)解決有機(jī)污染物的降解問(wèn)題。氧化法是目前比較有效且實(shí)用的污水處理方法，超聲波正是氧化法中一種良好的處理手段，逐漸取代造價(jià)高的傳統(tǒng)方法。

在各種處理工業(yè)廢水的材料中，納米材料異軍突起，逐漸成為全球研究熱點(diǎn)。納米材料種類(lèi)繁多，其中納米二氧化鈦是一種廣泛應(yīng)用于廢水處理的材料。納米二氧化鈦具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，良好的催化性能，制備方法簡(jiǎn)單，適合批量生產(chǎn)用于工業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢水污染物的降解，并且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染[3]。

1 超聲波在降解中的應(yīng)用

1.1 超聲波原理

國(guó)內(nèi)外學(xué)者都很重視超聲化學(xué)這個(gè)新興的超聲學(xué)和化學(xué)相交叉的學(xué)科，它可以加快化學(xué)反應(yīng)的速度，提高化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)率。超聲波在近幾十年內(nèi)發(fā)展的十分迅速。超聲波的頻率超過(guò)了2000Hz，由于它的頻率非常的高，一般的普通聲波都具有能量性，束射性等，而超聲波相較于普通聲波來(lái)講它具有更好的束射性，更大的能量，更強(qiáng)的功率，超聲波這些更好的性質(zhì)使得它在很多的方面都能起到很好的作用[4-6]，它可以使介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生很明顯的聲壓作用。目前超聲波的原理還沒(méi)有一種很明確的說(shuō)法，根據(jù)大量研究報(bào)告說(shuō)明，超聲波的發(fā)生機(jī)理大概有兩方面的作用。

空化作用：在超聲波穿過(guò)溶液介質(zhì)中時(shí)，在超聲波負(fù)壓下溶液分子會(huì)比較稀散導(dǎo)致溶液的密度相對(duì)較小，在這種情況下溶液會(huì)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生一些很微小的氣泡，氣泡慢慢的長(zhǎng)大變成了空化泡，而它會(huì)使溶液分子比較緊密導(dǎo)致溶液的密度變大的正壓條件相互作用，在這個(gè)很短時(shí)間的過(guò)程中，有一部分的空化泡會(huì)溶解到原來(lái)的溶液中去，還有一部分會(huì)浮出溶液然后消失。當(dāng)溶液負(fù)壓達(dá)到一個(gè)最大值時(shí)，這些空化泡會(huì)互相擠壓，使得它們的體積都變小，最后空化泡內(nèi)的壓強(qiáng)支撐不了空化泡的存在，就使得空化泡很迅速的崩潰破裂。在空化作用的過(guò)程中空化氣泡產(chǎn)生的能量使空化內(nèi)部的溫度升高，這一過(guò)程符合諾爾廷克-納普里亞斯方程

TC=T0(R0/R)3(γ-1)

其中R是空化作用后的空化泡半徑，R0是空化作用前的初始半徑，TC是空化作用后液體的溫度，T0是空化作用前液體的溫度，γ是空化泡內(nèi)氣體的熱容比。

自由基作用：在超聲作用下，超聲波穿過(guò)溶液時(shí)產(chǎn)生空化作用，溶液斷裂有空化泡出現(xiàn)，在空化泡中的水蒸氣離解：

在溶液中充滿(mǎn)了·OH和H2O2，這就為整個(gè)體系創(chuàng)造了一個(gè)很好的環(huán)境，可以使反應(yīng)速率加快，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

1.2 超聲波在降解中的應(yīng)用

在20世紀(jì)80年，超聲波已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于降解有機(jī)污染物[7]。有機(jī)污染物難分解，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易致癌，致畸性，致突變。 關(guān)于超聲波降解水體中的有機(jī)污染物的反映機(jī)理，主要有兩種說(shuō)法：一種是羥基自由基的氧化，另一種為高溫?zé)峤狻?/p>

親水且不易揮發(fā)的物質(zhì)主要是通過(guò)羥基自由基氧化而被分解，憎水且易揮發(fā)的物質(zhì)，則是兩種機(jī)理同時(shí)作用[8]。當(dāng)液體中的氣泡受到一定頻率超聲波輻照時(shí)，氣泡瞬間崩潰放出大量熱能，瞬間溫度達(dá)到1900到5200K，由于氣泡的崩潰，同時(shí)也產(chǎn)生了極高的壓強(qiáng)。高溫高壓的極端物理環(huán)境下，氣體和液體的界面處產(chǎn)生大量強(qiáng)氧化性物質(zhì)，這些物質(zhì)氧化了難分解的有機(jī)污染物，將其分解為小分子化合物。

傳統(tǒng)的降解有機(jī)污染物方法，大多會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，且成本高，不適合繼續(xù)應(yīng)用于降解新的有機(jī)污染物。超聲波對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染，相較于其他處理有機(jī)污染物的方法，成本低廉，容易操作，應(yīng)用非常廣泛，逐漸成為主要的污水處理方法。

2 二氧化鈦在降解中的應(yīng)用

2.1 二氧化鈦的制備方法

二氧化鈦的制備主要分為氣相法和液相法。氣相法中又分為氣相水解法、氣相氧化法、氣相氫氧火焰法、以及氣相熱解法。液相法分為溶膠凝膠法、化學(xué)沉淀法、水解法和水熱法等[9]。

2.2 二氧化鈦的在降解中的應(yīng)用

納米二氧化鈦應(yīng)用前景十分廣闊，是新興的無(wú)污染納米材料。具有良好催化性能，廣泛用于各行各業(yè)。目前，在光催化分解有機(jī)污染物領(lǐng)域，多為納米TiO2為催化劑。在光催化降解過(guò)程中，二氧化鈦不單純是催化劑，它還是反應(yīng)參與者。

在紫外光源照射下，二氧化鈦與水產(chǎn)生具有極強(qiáng)氧化能力的羥基自由基，最終可使有機(jī)物完全降解生成H20等簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)分子或離子[10-11]。但紫外光對(duì)透明性能差的物質(zhì)的穿透力很低。用紫外光源降解有機(jī)污染物時(shí)，常受到污染物透明度的限制，超聲波則可以很好的突破這個(gè)限制，超聲波的穿透能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紫外光。國(guó)內(nèi)外已有利用超聲波降解有機(jī)污染物的報(bào)道[12-13]。在二氧化鈦催化光降解污染物的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了二氧化鈦催化超聲降解有機(jī)污染物。選擇了具有代表性的染料分別進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合超聲波以及二氧化鈦本身的性質(zhì)[14]，得到二氧化鈦催化超聲降解有機(jī)污染物的最佳條件，并試著探討其反映機(jī)理。

[1] 盛 力. 臭氧氧化染料廢水脫色的動(dòng)力學(xué)研究[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2009(5)：33-34.

[2] 齊普榮,王光輝. 光降解偶氮染料的研究進(jìn)展[J]. 染料與染色,2007,44(2)：1-4.

[3] 黃惠莉,黃妙良,蔡阿娜，等．二氧化鈦光催化降解處理染料廢水[J]. 化工環(huán)保,2002, 22(2)：85-87.

[4] 韓華穎,劉毅慧,楊鳳林,等. 超聲波與其他技術(shù)聯(lián)用在水污染控制中的研究現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,5(4): 52-55.

[5] Hugo Destaillats, Hui-Ming Hung, Michael R. Hoffmann.Degradation of alkylphenol ethoxylate surfactants in water withultrasonic irradiation[J].Environmental Science and Technology, 2000, 34: 311-317.

[6] Sridevi Goskonda W, James Catallo, Thomas Junk. Sono-chemical degradation of aromatic organic pollutants[J]. Waste Management, 2002,22: 351-356.

[7] 王 坤,鄒學(xué)權(quán). 有機(jī)污染物的超聲波降解技術(shù)[J]. 污染防治技術(shù),2004,17(4): 19-22.

[8] 趙德明,丁 成,徐新華. 超聲波降解全氟辛烷磺酸和全氟辛酸的動(dòng)力學(xué)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2011,62(3): 829-835.

[9] 肖小明,李洪青,鄒華生. 超聲波降解有機(jī)污染物的研究與發(fā)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2003,26(S2)：84-86.

[10] 王 君,韓健濤,張向東. SiO2摻雜TiO2催化超聲降解甲基橙溶液[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2004,15(1): 27-29.

[11] 于會(huì)文,馬 騰,張朝紅. 納米金紅石型TiO2催化超聲降解對(duì)硫磷[J]. 農(nóng)藥, 2006,45(7): 481-483.

[12] 杜文樂(lè),田 鵬,魯 捷. 二氧化鈦催化超聲降解玫瑰紅[J]. 沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,8(4)：369-371.

[13] 張 剛,康艷紅,殷麗萍. 煤灰的環(huán)境效應(yīng)研究[J]. 沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,33(1)：125.

[14] 崔義慧,唐夢(mèng)澤,李玲美,等. 低溫制備TiO2對(duì)堿性品紅光催化性能的研究[J]. 沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,34(1)：70-73.

致謝：遼寧省高校重大科技平臺(tái)“能源與環(huán)境催化工程技術(shù)研究中心”。

(本文文獻(xiàn)格式：楊 沫，田 鵬，黃 濤.有機(jī)污染物方法處理研究[J].山東化工，2017，46(04)：150-151.)

Study on the Treatment of Organic Pollutants

YangMo1，TianPeng*1，HuangTao2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Institute of Catalysis for Energy and Environment,Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China;2.College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

With the continuous development of China's industry and the continuous improvement of people's living standards, there has been a variety of pollutants, of which organic pollutants are particularly serious. Organic pollutants in the form of macromolecules in wastewater, sewage, the toxicity is relatively large. In order to make people in the future to deal with organic pollutants more convenient, efficient and energy saving. We use ultrasonic and other methods for the degradation of organic pollutants, of which titanium dioxide is a better catalyst.

pollutants; ultrasonic; degradation; titanium dioxide

2017-01-10

遼寧省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：2015020241)

楊 沫(1991—)，女，遼寧葫蘆島人，沈陽(yáng)師范大學(xué)碩士研究生；通訊作者簡(jiǎn)介：田 鵬(1967—)，遼寧沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)師范大學(xué)教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

X7

A

1008-021X(2017)04-0150-02