納米二氧化鈦光催化氧化降解苯酚廢水實(shí)驗(yàn)

焦 偉 劉譯陽(yáng)

(中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司)

0 引 言

高濃度、難降解的有機(jī)廢水即點(diǎn)源廢水是煉化污水升級(jí)達(dá)標(biāo)的難點(diǎn)。綜合分析，點(diǎn)源廢水主要有20多種，典型的有苯酚廢水、堿渣廢水、橡膠廢水、含腈廢水、反滲透濃水等[1]。此外，污水回用產(chǎn)生的反滲透濃鹽水和煉油化工污水處理裝置外排污水中有機(jī)物含量雖然偏低，但絕大多數(shù)為難生化降解有機(jī)物，其去除難度大。點(diǎn)源廢水組成復(fù)雜、難降解組分比例高，具有一定毒性，易對(duì)污水處理場(chǎng)造成沖擊[2]。

納米二氧化鈦(TiO2)光催化氧化已被證明是一種氧化能力強(qiáng)，選擇性小，處理效率高，不帶來二次污染的水處理方法，且TiO2催化劑具有化學(xué)穩(wěn)定性好，無(wú)毒等特性，是一種非常有前景的水處理技術(shù)。研究人員利用TiO2光催化氧化技術(shù)對(duì)一些難降解污染物質(zhì)，如表面活性劑、石油煉化污水、硝基芳烴、鹵代芳烴、雜環(huán)化合物、多環(huán)芳烴、染料廢水、造紙廢水、農(nóng)藥廢水等進(jìn)行處理，取得顯著效果。TiO2光催化氧化技術(shù)在加拿大、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家已成功應(yīng)用[3]。

納米TiO2光催化氧化原理是催化劑TiO2受光照射，吸收光能，發(fā)生電子躍遷，生成電子-空穴對(duì)，從而對(duì)污染物直接進(jìn)行氧化還原。催化劑TiO2無(wú)毒無(wú)害，成本低，且穩(wěn)定性高，可回收利用。

本文以實(shí)驗(yàn)室模擬苯酚廢水為研究對(duì)象，開展TiO2光催化氧化實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建

搭建納米TiO2光催化氧化小試實(shí)驗(yàn)裝置，處理規(guī)模為間歇性10 L/h。裝置包括原水儲(chǔ)罐、光催化反應(yīng)器、參數(shù)測(cè)量及控制系統(tǒng)、催化劑回收系統(tǒng)，工藝流程見圖1。

圖1 TiO2光催化氧化裝置實(shí)驗(yàn)工藝流程

2 實(shí)驗(yàn)水樣

實(shí)驗(yàn)水樣為實(shí)驗(yàn)室模擬苯酚廢水。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方案

搭建納米TiO2光催化氧化裝置，用實(shí)驗(yàn)室模擬苯酚廢水開展納米TiO2光催化氧化技術(shù)研究，考察反應(yīng)過程中曝氣量、pH值、初始濃度、TiO2投加量等工藝參數(shù)對(duì)COD、TOC去除率的影響，從而考察苯酚廢水的降解過程[4-5]。

4 結(jié)果與討論

1)曝氣量

配制濃度為150 mg/L的模擬苯酚廢水，選用P25 銳鈦礦型TiO2，粒徑20～30 nm[6]，投加量為1.5 g/L。溶液初始pH值為7，考察曝氣量對(duì)COD去除率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 曝氣量對(duì)COD去除率的影響

由圖2可知，光照時(shí)間為3 h時(shí)，在未曝氣的條件下，COD去除率只有20%左右，曝氣量為0.5 L/min時(shí)，COD去除率增大到92.3%，表明隨著曝氣量的增大，COD去除率逐漸增大；但當(dāng)曝氣量為1 L/min時(shí)，COD去除率為71%，曝氣量為3 L/min時(shí)，COD去除率明顯下降，為60.2%。因此，初始濃度為150 mg/L，pH值為7的苯酚廢水，在曝氣量為0～3 L/min的條件下，COD去除率先增大后減小[7]。

2)初始pH值

在苯酚廢水初始濃度為150 mg/L，光照時(shí)間為1 h的條件下，調(diào)節(jié)廢水pH值，考察其對(duì)COD去除率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 pH值對(duì)COD去除率的影響

由圖3可知，在光照時(shí)間為1 h的條件下，當(dāng)pH值為3時(shí)，COD去除率為90.3%，當(dāng)pH值為5時(shí)，COD去除率為88.2%，當(dāng)pH值為7時(shí)，COD去除率為71.3%，當(dāng)pH值為9，COD去除率為67.05%。隨著pH值的升高，COD去除率逐漸降低，而當(dāng)pH值為11時(shí)，COD去除率又開始增大，總之，酸性條件比堿性條件下COD去除率高。

3)TiO2投加量

在苯酚廢水初始濃度為150 mg/L的條件下，改變TiO2投加量，考察其對(duì)COD去除率的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，光照時(shí)間為0～1.5 h時(shí)，隨著TiO2投加量的增大[8-9]，COD去除率增大，當(dāng)光照時(shí)間為1.5～3 h，TiO2投加量為10 g/L時(shí)，COD去除率反而降低，因此，TiO2最佳投加量為3 g/L。

4)初始濃度

在曝氣量為0.5 L/min，pH值為7的條件下，TiO2投加量[10-11]為3 g/L，考察廢水初始濃度對(duì)COD去除率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 廢水初始濃度對(duì)COD去除率的影響

由圖5可知，在光照時(shí)間為0～1.5 h的條件下，隨著苯酚廢水初始濃度的增加，COD去除率逐漸降低。

5)溫度

在曝氣量為0.5 L/min，pH值為7，光照時(shí)間為1.5 h的條件下，TiO2投加量為3 g/L，考察反應(yīng)溫度對(duì)COD、TOC去除率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)COD、TOC去除率的影響

由圖6可知，溫度為20～40℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的升高，COD去除率和TOC去除率幾乎不變，不受溫度影響。

5 結(jié) 論

根據(jù)國(guó)內(nèi)外光催化技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合苯酚廢水特點(diǎn)，通過改變反應(yīng)參數(shù)對(duì)苯酚廢水進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)，主要結(jié)論如下。

1)初始濃度為150 mg/L，pH值為7的苯酚廢水，反應(yīng)3 h，曝氣量為0～3 L/min的條件下，隨著曝氣量的增大，COD去除率先增大后減小。

2)調(diào)節(jié)苯酚廢水pH值在3～11，隨著pH值的升高，COD去除率逐漸降低，而當(dāng)pH值為11時(shí)，COD去除率又開始增大，總之，酸性條件比堿性條件下COD去除率高。

3)在光催化反應(yīng)過程中，隨著TiO2投加量的增大，COD去除率增大，當(dāng)TiO2投加量為10 g/L時(shí)，COD去除率反而降低。

4)苯酚廢水初始濃度在75～300 mg/L時(shí)，隨著濃度的增大，COD去除率逐漸降低。

5)反應(yīng)溫度的改變對(duì)COD和TOC的去除率沒有影響。