電弧放電等離子體處理苯酚廢水的研究

劉 玲

(南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211800)

酚類化合物主要來源于石油裂解乙烯、合成苯酚、聚酰胺纖維、合成燃料、有機(jī)農(nóng)藥等生產(chǎn)過程。含酚廢水是一種典型的難降解有機(jī)廢水，為當(dāng)今世界上危害最大、污染范圍最廣的工業(yè)廢水之一[1]。其中苯酚是最簡(jiǎn)單的酚類有機(jī)物，為酚類化合物中毒性最大，也是工業(yè)廢水有機(jī)污染物的主要組成。酚類對(duì)人體、水產(chǎn)和農(nóng)作物等都有一定的危害，美國(guó)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)規(guī)定飲用水中酚的含量必須低于1 mg/L，我國(guó)工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工業(yè)廢水中酚含量不得高于5 mg/L[2]。因此需要對(duì)含酚類廢水進(jìn)行處理，減少含酚廢水對(duì)環(huán)境的污染，降低對(duì)人類和其他生物健康的影響。

目前用于含酚類污水的處理方法主要有生化法(活性污泥法、生物膜法等)、高級(jí)氧化法(濕化催化氧化、芬頓法、臭氧氧化、等離子體技術(shù)等)，各有適用的范圍。其中等離子體技術(shù)不僅可以產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由基和激發(fā)態(tài)的原子、分子等高活性粒子，這些活性物質(zhì)可使難降解有機(jī)物分子激發(fā)、電離或斷鍵[3]。等離子產(chǎn)生過程中還伴隨有紫外光輻射、沖擊波以及液電空化降解等物理化學(xué)效應(yīng)，這些效應(yīng)也加速了有機(jī)物的氧化降解[4-5]。近年來，越來越多的學(xué)者對(duì)此技術(shù)進(jìn)行研究。本文采用電弧放電產(chǎn)生的等離子體處理苯酚廢水，考察電壓幅值、處理時(shí)間、溶液初始質(zhì)量濃度和 pH 值、投加 Fe2+和 Fe3+等因素對(duì)苯酚降解率的影響，對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行了分析，研究?jī)?nèi)容為苯酚廢水處理提供了參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)整套裝置由等離子體放電電源、控制器、反應(yīng)器和輔助設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)試劑包括：苯酚、重鉻酸鉀、30%過氧化氫、氫氧化鈉、硫酸銀、硫酸汞硫酸、硫酸等。

主要試驗(yàn)儀器包括：BS224S電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；pHS-3C pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；UV2450紫外分光光度計(jì)，日本島津有限公司；TOC-VCPH，日本島津有限公司；DDS-11D電導(dǎo)率儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)所用水樣為分析純苯酚和純水配制的模擬廢水。采用4-氨基安替吡啉分光光度法測(cè)定溶液中的苯酚濃度，化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法測(cè)定[6]。配置一定濃度苯酚溶液20 mL置于反應(yīng)器(直徑100 mm，高50 mm無(wú)頂蓋的圓柱狀石英玻璃皿)中，用一柱狀銅棒做高壓電極，待處理廢水做地電極。開啟氧氣瓶將氧氣注入水中，使得高壓電極處形成大量氣泡，有利于放電的產(chǎn)生。取樣測(cè)定COD的降解效率及苯酚的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間的影響

放電電壓為8 kV，100 mg/L的苯酚溶液，處理時(shí)間1～ 5 min，處理效果如圖2所示。在處理過程中可以觀察到放電約1 min溶液顏色發(fā)生變化變成黃色-紅色，此后顏色再轉(zhuǎn)成淡黃色。由圖2可以看出，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，苯酚降解率增加。在處理時(shí)間達(dá)5 min時(shí)，苯酚與COD可達(dá)到90%以上。由于實(shí)驗(yàn)過程中通入氧氣，放電過程中可反應(yīng)生成臭氧，臭氧與水分子作用形成過氧化氫、羥基自由基等。處理時(shí)間越長(zhǎng)，上述氧化粒子濃度越高，因此苯酚溶液可以得到充分反應(yīng)，苯酚的處理效果較好。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)苯酚處理效果的影響Fig.2 Effect of reaction time on phenol treatment effect

2.2 電壓和時(shí)間的影響

圖3 放電電壓對(duì)苯酚去除率的影響Fig.3 Effect of discharge voltage on phenol removal rate

改變放電電壓(6 kV、7 kV、8 kV)對(duì)100 mg/L的苯酚溶液進(jìn)行處理，苯酚和COD去除率見圖3和圖4。從圖中可以看出，不同電壓對(duì)苯酚的降解效果影響較為明顯。隨著電壓的提高，COD的降解率相應(yīng)提高。處理時(shí)間5 min，放電電壓為 8 kV時(shí)，苯酚去除率達(dá)92.3%，COD去除率達(dá)91.6%。隨外加電壓升高，放電產(chǎn)生的等離子體密度也隨之增加，反應(yīng)體系獲得能量更高，放電過程產(chǎn)生產(chǎn)生的臭氧和活性自由基濃度也隨之變大[7-8]，苯酚受活性粒子有效碰撞幾率增大，溶液中有機(jī)物氧化反應(yīng)速率增加，降解率隨之增高。

圖4 放電電壓對(duì)COD降解率的影響Fig.4 Effect of discharge voltage on COD degradation rate

2.3 溶液初始濃度的影響

分別配置初始濃度為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、 200 mg/L、250 mg/L的苯酚溶液，放電電壓8 kV，不同濃度的處理效果如圖5和圖6所示。從圖5、6可知，苯酚的初始濃度對(duì)降解效果影響比較明顯，苯酚去除率及COD降解率隨濃度的增加先升高后降低，在濃度為100 mg/L的苯酚溶液的降解效果最好。當(dāng)溶液濃度較低時(shí)，苯環(huán)與高能電子以及產(chǎn)生的活性物種碰撞而反應(yīng)的概率較小，隨溶液濃度增加反應(yīng)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物濃度增高，濃度越大，反應(yīng)物、中間物與活性物種之間反應(yīng)幾率越強(qiáng)，從而使苯酚去除率越高。然而隨溶液濃度進(jìn)一步增加，由于等離子體密度不變，所以相同時(shí)間內(nèi)苯酚的絕對(duì)降解量降低，苯酚去除率隨之減小。因此，當(dāng)苯酚溶液濃度在一定范圍內(nèi)，苯酚溶液的苯酚降解率會(huì)提高；當(dāng)溶液濃度過高時(shí),放電產(chǎn)生的羥基自由基、紫外光不能很好的將苯酚溶液的苯酚降解。因此，利用等離子體對(duì)苯酚的降解效果并不是濃度越低越好，亦不是濃度越高越好。

圖5 初始濃度對(duì)苯酚去除率的影響Fig.5 Effect of initial concentration on phenol removal rate

圖6 初始濃度對(duì)COD降解率的影響Fig.6 Effect of initial concentration on COD degradation rate

2.4 溶液初始pH值的影響

圖7 初始pH值對(duì)苯酚處理效果的影響Fig.7 Effect of initial pH value on phenol treatment effect

為了考察等離子體對(duì)水體pH值變化的適應(yīng)程度，在苯酚溶液濃度100 mg/L時(shí)，用H2SO4和NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值，電壓幅值8 kV，處理時(shí)間5 min，不同pH值下其處理效果見圖7。苯酚和COD的降解效果隨pH的增加先提高后減小再增大，在偏酸性及堿性的條件下，處理效果最好。放電產(chǎn)生的臭氧在高pH值下可以生成更多的羥基自由基[9]，苯酚降解率高。由此可知，電弧放電的最佳處理有機(jī)物有一定的適用范圍。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電弧放電產(chǎn)生的等離子體對(duì)苯酚有較好的去除效果。初始濃度100 mg/L，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，苯酚和COD去除率逐漸增大，電壓幅值對(duì)其去除率影響較放電時(shí)間小。溶液初始濃度對(duì)苯酚去除效果影響較為明顯，濃度越大和越小，去除率越低。溶液初始pH值會(huì)影響等離子體的處理效果，偏酸性及堿性條件下有利于苯酚的降解。