卜君如,周新凱,劉 歡,林春綿
(浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,浙江 杭州 310014)
對(duì)氨基苯酚(PAP)是一種非常重要的化工原料,廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域。PAP在生產(chǎn)使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量高濃度的有機(jī)廢水,這些廢水采用傳統(tǒng)方法不能有效降解,因此開發(fā)有效的處理技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[1]。超臨界水氧化技術(shù)(SCWO)以其高效、徹底的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在水處理技術(shù)中表現(xiàn)出巨大潛力[2-5]。但SCWO對(duì)反應(yīng)條件和設(shè)備要求較高,鹽沉淀及容器腐蝕等問題也阻礙了該技術(shù)進(jìn)一步的工業(yè)化應(yīng)用[6]。探究相對(duì)溫和的反應(yīng)條件仍是SCWO研究的熱點(diǎn)。芬頓試劑(H2O2+Fe2+)作為強(qiáng)氧化劑,其中的Fe2+在pH為2~5的環(huán)境體系中可催化分解H2O2,產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性的羥基自由基(HO·)可氧化降解水中難降解的有機(jī)污染物。因此芬頓試劑在精細(xì)化工、醫(yī)藥衛(wèi)生等方面均得到廣泛應(yīng)用[7-10]。H2O2也是SCWO體系常用的氧化劑,若引入Fe2+,即可能形成一種新的高級(jí)氧化環(huán)境,即超臨界芬頓氧化(SCFO)體系。初步研究結(jié)果表明,該體系能夠結(jié)合SCWO和芬頓試劑氧化的優(yōu)勢(shì),在提高污染物降解效率的同時(shí)降低反應(yīng)條件要求[11]。到目前為止,有關(guān)SCFO的研究僅限于對(duì)有機(jī)污染物的總有機(jī)碳(TOC)去除及其影響因素,對(duì)于在SCWO中較難降解的含氮有機(jī)污染物的總氮(TN)去除及轉(zhuǎn)化情況的研究未見報(bào)道,且對(duì)于SCFO的具體反應(yīng)機(jī)理未見探究。
本工作在SCFO體系中對(duì)含氮有機(jī)污染物PAP進(jìn)行了TOC和TN的去除,利用紫外-可見分光光度計(jì)、GC等方法考察了反應(yīng)條件對(duì)TOC和TN去除率的影響,并對(duì)SCFO的氧化機(jī)理和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了探究。
PAP:色譜純,上海麥克林生化科技有限公司;雙氧水:AR,30%(w),永華化學(xué)科技(江蘇)有限公司;去離子水:實(shí)驗(yàn)室自制;FeSO4·7H2O:AR,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;硫酸:AR,西隴化工股份有限公司。
實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental apparatus.
將配制好的典型模擬有機(jī)污染物廢水即PAP溶液(TOC為1 000 mg/L)、雙氧水、Fe2+溶液(1.5 mg/L)和去離子水通過低壓梯度混合器混合后由高壓恒流泵連續(xù)打入不銹鋼管(316 L)反應(yīng)器(外徑3.2 mm,內(nèi)徑1.5 mm,長度30 m),反應(yīng)器通過加熱爐和背壓閥可維持在特定的溫度和壓力下,PAP在其中氧化降解。反應(yīng)混合物經(jīng)恒溫水浴冷卻后進(jìn)入氣液分離系統(tǒng),尾液收集后進(jìn)行紫外光譜分析、TOC和TN測(cè)定等,尾氣經(jīng)干燥除濕后采集試樣待分析檢測(cè)。
溫度研究范圍為380~500 ℃,每隔20 ℃設(shè)置一個(gè)梯度。根據(jù)式(1)確定氧化劑倍數(shù)。
在超臨界條件下,水的密度隨壓力和溫度而變,只能通過改變進(jìn)樣流量來控制停留時(shí)間τ,見式(2)。
式中,VR為反應(yīng)器容積,cm3;ρw為超臨界狀態(tài)下水的密度,g/cm3;Ww為水的質(zhì)量流量,g/min。
芬頓條件:1)混合溶液的Fe2+含量可通過配制好的Fe2+標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋和調(diào)節(jié)低壓梯度混合器Fe2+進(jìn)樣管路的進(jìn)樣比例得到;2)通過滴加稀H2SO4同時(shí)改變純水和Fe2+溶液的pH。
采用UV2600/2700型紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津公司),在185~360 nm的波長范圍內(nèi)對(duì)含PAP的模擬廢水氧化降解前后的試樣進(jìn)行紫外掃描,并在273 nm下定量測(cè)定PAP的濃度和試樣中的TN。采用TOC-V CPH/CPN型總有機(jī)碳測(cè)定儀(日本島津公司)測(cè)定尾液得到TOC;采用GC-1690型氣相色譜儀(杭州科曉化工儀器設(shè)備有限公司)測(cè)定尾氣中的CO2。
初始質(zhì)量濃度為272.5 mg/L的PAP廢水,經(jīng)SCWO(420 ℃、24 MPa、停留時(shí)間197 s、過氧倍數(shù)2倍)和SCFO(420 ℃、24 MPa、停留時(shí)間197 s、過氧倍數(shù)2倍、Fe2+質(zhì)量濃度0.30 mg/L、pH=3.0)處理,尾液收集后的檢測(cè)結(jié)果見圖2。同時(shí)給出了PAP的標(biāo)準(zhǔn)譜圖(質(zhì)量濃度為2.18 mg/L)。由圖2可知,PAP廢水經(jīng)SCFO和SCWO處理后,其特征峰(221,273,304 nm)基本消失,說明PAP在SCWO和SCFO體系均可有效降解,兩者的去除率均可達(dá)到99%以上。而且,經(jīng)SCFO處理的廢水的譜圖更趨近于基線(即峰值趨近于0),可見,SCFO較SCWO有著更高的降解能力。
圖2 降解后尾液的紫外光譜圖Fig.2 UV spectra of tail liquid degraded.
2.2.1 過氧倍數(shù)對(duì)PAP降解效率的影響
過氧倍數(shù)對(duì)TOC和TN去除率的影響分別見圖3和表1。由圖3可知,在SCWO和SCFO體系中,隨著過氧倍數(shù)的增大,TOC去除率呈先迅速增大然后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì),最終SCWO體系的TOC為94.7%,SCFO體系的TOC為99.3%。這說明過氧倍數(shù)的提高有助于有機(jī)物的氧化降解,但增大到一定程度時(shí),過氧倍數(shù)便不再是影響降解效率的主要因素了。在過氧倍數(shù)較小時(shí),SCFO和SCWO的TOC去除率差異十分明顯,隨著氧化劑用量的增加,有機(jī)物逐漸被完全氧化,二者的差異也逐漸減小,說明SCFO體系中雙氧水利用率較高。Ghosh等[12]研究了芬頓氧化對(duì)PAP降解效率的影響,發(fā)現(xiàn)在最佳實(shí)驗(yàn)條件下PAP的降解效率為75%。由此可知,SCFO的降解效果既優(yōu)于SCWO,更優(yōu)于芬頓氧化。由表1可知,隨過氧倍數(shù)的增大,TN去除率均呈逐漸增大的趨勢(shì)。在同一過氧倍數(shù)下,SCFO相對(duì)SCWO的TN去除率差異明顯,在過氧倍數(shù)為1時(shí),SCFO便相對(duì)擁有較高的TN去除率;且在過氧倍數(shù)為5時(shí),SCWO的TN去除率仍達(dá)不到50%。這表明SCFO較SCWO有著較高的氧化降解能力,可有效降解去除含氮有機(jī)物。因此,適宜的過氧倍數(shù)為2。
圖3 過氧倍數(shù)對(duì)TOC去除率的影響Fig.3 Effect of peroxidation multiple on total organic carbon(TOC) removal rate.
表1 過氧倍數(shù)對(duì)TN去除率的影響Table 1 Effect of peroxidation multiples on total nitrogen(TN) removal rate
2.2.2 溫度對(duì)PAP降解效率的影響
圖4為溫度對(duì)TOC去除率的影響。從圖4可看出,隨溫度的升高,TOC去除率均呈逐漸增大的趨勢(shì)。在SCWO體系中,當(dāng)溫度由380 ℃升至500 ℃,TOC去除率由67.1%提高到90.4%。在溫度較低時(shí),SCFO較SCWO有著較高的降解效率,隨著溫度的繼續(xù)升高二者的差異也逐漸減小。這表明SCFO可緩和反應(yīng)條件,在相對(duì)較低的溫度下也有較高的降解效率。溫度是影響PAP降解效率的主要因素,溫度升高,反應(yīng)逐漸加快,有機(jī)物結(jié)構(gòu)被徹底破壞成小分子化合物而被去除。當(dāng)溫度繼續(xù)升高至一定程度時(shí),溫度對(duì)氧化反應(yīng)的影響也在逐漸減小。閆澤等[13]探究了不同溫度下,對(duì)叔丁基在超臨界水氧化設(shè)備中的降解情況,結(jié)果與本工作相一致。因此,適宜的溫度為420 ℃。
圖4 反應(yīng)溫度對(duì)TOC去除率的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on TOC removal rate.
表2為溫度對(duì)TN去除率的影響。由表2可知,隨著溫度的升高,TN去除率均呈逐漸增大的趨勢(shì)。在同一溫度下,SCFO相對(duì)SCWO擁有較高的TN去除率。相對(duì)SCWO,SCFO已大大緩和了反應(yīng)溫度。在反應(yīng)溫度為500 ℃時(shí),SCWO的TN去除率仍達(dá)不到50%,SCFO的TN去除率也僅由41.9%提高到55.6%。因此,溫度升高有助于TN的降解,但要使TN完全去除仍需更高的反應(yīng)溫度。
表2 反應(yīng)溫度對(duì)TN去除率的影響Table 2 Effect of reaction temperature on TN removal rate
2.2.3 停留時(shí)間對(duì)PAP降解效率的影響
圖5為TOC去除率隨停留時(shí)間變化的曲線。由圖5可知,隨停留時(shí)間的延長,TOC去除率均先大幅升高,后逐漸趨于平緩。相同停留時(shí)間下,SCFO相對(duì)SCWO擁有較高的TOC去除率。表明SCFO具有較高的氧化能力,大大縮短了氧化反應(yīng)的時(shí)間。同時(shí)停留時(shí)間也是影響有機(jī)物徹底氧化降解的主要因素之一。
圖5 停留時(shí)間對(duì)TOC去除率的影響Fig.5 Effect of residence time on TOC removal rate.
表3為停留時(shí)間對(duì)TN去除率的影響。從表3可看出,隨停留時(shí)間的延長,TN去除率均呈逐漸增大的趨勢(shì)。在同一停留時(shí)間下,SCFO相對(duì)SCWO具有較高的TN去除率。在SCFO下,TN去除率由29.5%迅速提高到68.9%;在SCWO下,TN去除率由5.4%逐漸提高到39.1%。這表明延長停留時(shí)間有助于TN去除率的提高;但要使TN完全去除仍需要更長的停留時(shí)間。相對(duì)SCWO,SCFO已經(jīng)相對(duì)縮短了反應(yīng)時(shí)間。因此,停留時(shí)間也是影響有機(jī)物徹底氧化降解的主要因素之一。
表3 停留時(shí)間對(duì)TN去除率的影響Table 3 Effect of residence time on TN removal rate
2.2.4 芬頓條件對(duì)PAP的TOC去除率的影響
芬頓條件對(duì)SCFO體系TOC去除率的影響見圖6。由圖6可知,隨Fe2+質(zhì)量濃度的提高,TOC去除率先迅速增大然后逐漸趨于一定值。這是因?yàn)?,隨Fe2+質(zhì)量濃度的提高,反應(yīng)速率逐漸加快,有機(jī)物在較短時(shí)間內(nèi)逐漸被氧化降解去除。
圖6 Fe2+質(zhì)量濃度和pH對(duì)SCFO體系TOC去除率的影響Fig.6 Effect of Fe2+ mass concentration and pH on TOC removal rate in SCFO.
從圖6可看出,隨pH的增大,TOC去除率呈先增大后下降的趨勢(shì),表明SCFO體系需要在一個(gè)較適宜的pH范圍內(nèi)才會(huì)有較高的降解效率。正如芬頓氧化需要一個(gè)合適的pH范圍一樣,pH過高或過低對(duì)于HO·的生成都不利,從而不利于PAP的氧化降解。因此,將H+引入到SCWO中,在一定范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生較多的HO·,提高對(duì)有機(jī)物的降解能力。適宜的芬頓條件為pH=3.0、Fe2+質(zhì)量濃度0.3 mg/L。
2.3.1 SCFO的降解機(jī)理
不同體系下PAP廢水的TOC去除率見圖7。
圖7 不同體系下PAP的TOC去除率Fig.7 The TOC removal rate of PAP under different systems.
從圖7可看出,隨停留時(shí)間的延長,TOC去除率均呈不斷增大的趨勢(shì),表明停留時(shí)間是影響有機(jī)物氧化降解的重要因素。在SCWO中加入Fe2+形成的SCFO體系中,TOC的去除率提高了,這可能是由于Fe2+催化H2O2產(chǎn)生的活潑的HO·可以降解污染物。此外,SCFO在酸性條件下有著更高的TOC去除率。這可能是由于Fe2+和H+與H2O2在一定時(shí)間內(nèi)構(gòu)成芬頓環(huán)境,生成了更多的氧化能力極強(qiáng)的HO·,故能在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)快速氧化降解有機(jī)物。
2.3.2 SCFO的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
以PAP為典型模擬有機(jī)污染物,通過冪指數(shù)方程法來構(gòu)建SCFO反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)方程,有機(jī)物的去除率為X。在反應(yīng)體系中,可近似認(rèn)為水和氧化劑的濃度為常量,即相應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)為0,則反應(yīng)速率方程可寫成:
式中,A為指數(shù)前因子,s-1;Ea為反應(yīng)活化能,J/mol;R為理想氣體常數(shù),8.314 J/(K·mol);T為溫度,K;α為反應(yīng)物的反應(yīng)級(jí)數(shù);t為反應(yīng)時(shí)間,s。
對(duì)于大多數(shù)有機(jī)物,反應(yīng)級(jí)數(shù)為1,因此假設(shè)α=1。反應(yīng)開始時(shí),t=0,X=0,積分得:
式中,k為反應(yīng)速率常數(shù),s-1。
根據(jù)PAP的SCFO實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在380~460℃范圍內(nèi),將不同溫度下的ln(1-X)隨反應(yīng)時(shí)間t進(jìn)行線性回歸,結(jié)果見圖8。由圖8可知,在不同反應(yīng)溫度下,ln(1-X)~t呈線性關(guān)系,不同反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)可由圖中得出,具體見表4。
再由Arrhenius公式求得主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)為:Ea約為 80.23 kJ/mol,A為 6.63×103s-1。因此,PAP的SCFO反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為:
圖8 ln(1-X)與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationships between ln(1-X) and time.
表4 不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)Table 4 Reaction rate constant(k) at different temperature
1)SCFO體系可有效降解廢水中的PAP,能在相對(duì)溫和的條件下達(dá)到較高的降解效率。SCFO體系較適宜的工藝條件為:溫度420 ℃、過氧倍數(shù)2、pH=3.0、Fe2+質(zhì)量濃度0.3 mg/L。
2)在SCFO體系中對(duì)PAP進(jìn)行降解的過程中,F(xiàn)e2+和H+與H2O2在一定時(shí)間內(nèi)構(gòu)成芬頓環(huán)境,充分發(fā)揮超臨界水氧化和芬頓氧化的協(xié)同作用,生成氧化能力極強(qiáng)的HO·,能在較低的溫度和較短的時(shí)間內(nèi)快速氧化降解有機(jī)物。
3)PAP在SCFO條件下的活化能為80.23 kJ/mol,指數(shù)前因子為6.63×103s-1,對(duì)氧化劑和有機(jī)物的反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為0和1。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] Yang Jing,Pan Bo,Li Hao,et al. Degradation ofp-nitrophenol on biochars:Role of persistent free radicals[J]. Environ Sci Technol,2015,50(2):694-700.
[2] 林春綿,袁細(xì)寧,楊馗. 超臨界水氧化法降解甲胺磷的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(6):714-718.
[3] Xu Mingxian,F(xiàn)ang Lin,Ding Shayili,et al. Continuous measurement of total organic carbon based on supercritical water oxidation[J]. Desalin Water Treat,2017(99):309-314.
[4] Xu Donghai,Wang Shuzhong,Zhang Jie,et al. Supercritical water oxidation of a pesticide wastewater[J]. Chem Eng Res Des,2015,94:396-406.
[5] Lai Yang,Yang Longyun. Research progress of water treatment by advanced oxidation technology[J]. Adv Mater Res,2013,864/867:2096-2099.
[6] Zhang Sijie,Zhang Zhonghua,Zhao Rui,et al. A review of challenges and recent progress in supercritical water oxidation of wastewater[J]. Chem Eng Commun,2016,204(2):265-282.
[7] 曾旭,曾德芳. 芬頓氧化深度處理印染廢水的實(shí)驗(yàn)研究[J].廣州化工,2018,46(1):92-94.
[8] 劉偉. 芬頓氧化法處理廢水研究[J].中國資源綜合利用,2016,34(11):36-37.
[9] Rumky J,Ncibi M C,Burgos-Castillo R C,et al. Optimization of integrated ultrasonic-Fenton system for metal removal and dewatering of anaerobically digested sludge by Box-Behnken design[J]. Sci Total Environ,2018,645:573-584.
[10] Tekin G,Ersoz G,Atalay S. Visible light assisted Fenton oxidation of tartrazine using metal doped bismuth oxyhalides as novel photocatalysts[J]. J Environ Manage,2018,228:441-450.
[11] 胡歡杰. 超臨界水(芬頓)氧化法測(cè)定廢水中總有機(jī)碳的研究[D]. 杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2014.
[12] Ghosh P,Ghime D,Lunia D,et al. Degradation ofp-aminophenol by Fenton’s process influence of operational parmeters[J]. Environ Prot Eng,2017,43(3):255-267.
[13] 閆澤,張敏,韓優(yōu),等. 超臨界水氧化法降解廢水中的對(duì)叔丁基鄰苯二酚[J]. 化學(xué)工程,2016,44(5):70-75.