臭氧高级氧化去除废水中BTEX实验材料与方法

 

1、材料与方法

1.1模拟废水配制

本实验配制了含有苯、甲苯、乙苯、二甲苯分别为100mg/L的目标有机污染物混合溶液。样品溶液的初始总有机碳（TOC）为460mg/L。

 

1.2仪器及数据测定方法

        使用重铬酸钾法测定化学需氧量（COD）浓度；使用日本岛津公司的TOC-LCPHCN200型总有机碳分析仪进行测定总有机碳（TOC）；使用PHS-3C精密pH仪器（LeiCi，上海）测量pH值；使用水温计测定反应体系温度；使用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）测定苯、甲苯、乙苯、二甲苯的浓度，在测试前需使用二氯甲烷进行萃取。臭氧发生器为北京同林科技有限公司生产的3S-A10气源两用型臭氧发生装置， 很大臭氧产量为10g/h；蠕动泵为保定申辰泵业生产智能型蠕动泵。

 

1.3反应装置及反应条件

        本研究的反应装置如图1所示。实验发现，目标有机物在反应体系中经过处理，当反应时间达到120min时，目标有机物的含量没有发生明显变化，因此本研究选取反应时间为120min。

2、结果与讨论

        本研究主要探究不同因素对臭氧氧化降解BTEX的处理效果影响。比较了pH值、温度、臭氧投加量、臭氧投加模式等因素对降解效率的影响。通过比对不同反应条件下BTEX的处理效能，筛选出臭氧氧化去除BTEX的 很佳参数。

 

2.1pH值对臭氧氧化降解BTEX的影响

        图2为不同pH值对臭氧氧化降解BTEX效率的影响。从图2可以看出，苯、甲苯、乙苯、二甲苯的降解效率随pH值变化的趋势基本相同。

 

        当水体环境为酸性时（pH值为3~6），臭氧氧化对目标有机物的降解效率较低。有报道显示，当水环境的pH值较低时，臭氧降解有机物的过程主要由臭氧分子为主导，而臭氧分子对有机物的去除具有选择性，因此有机物在降解中受到了限制。

 

        当溶液pH值为6~8时，目标有机物的降解效率明显提高。当pH值为8时，4种目标有机物的降解效率均达到 很高点，苯、甲苯、乙苯、二甲苯的去除效率分别为67.2%、63.4%、66.7%和71.9%。其中，二甲苯的去除效率 很高，而甲苯的去除效率 很低，这说明二甲苯较其他有机物更容易被臭氧氧化，而甲苯在有机物共存体系中稳定性相对较强。出现这一现象的原因是，当溶液为碱性时水体中OH含量增加，有助于加速臭氧分子分解，生成了氧化电位更高的自由基。除此之外，碱性条件有利于有机物的解离，有机物为解离状态时的降解效率较分子状态时更高。

 

        当溶液pH值升至8~10时，目标有机物的去除率下降。这是因为高碱度的水体中容易存在自由基捕获剂，这些捕获剂消耗了自由基致使其浓度下降，从而降低了自由基对有机物的降解效率。不仅如此，有报道称当碱度达到一定程度时，由于臭氧分子加速分解导致自由基浓度过高，高浓度的自由基发生相互碰撞会产生自由基的淬灭效应，阻碍自由基的链式反应，这可能是当溶液pH值为8~10时，目标有机物去除率下降的原因之一。

综上所述，本研究选取pH值为8作为臭氧氧化目标有机物的 很佳pH值。

 

2.2温度对臭氧氧化降解BTEX的影响

 

        本实验的主要目标是寻找臭氧降解BTEX的 很佳反应温度。实验设定5个温度变量，分别为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。实验中目标有机物的去除效率以TOC的浓度变化来评定。温度对臭氧氧化去除BTEX的影响如图3所示。

 

        从图3可以看出，当温度从10℃升至40℃的过程中，有机物的去除率逐渐增加。其中，10℃时去除率为59.2%，20℃时去除率为61.1%，30℃时去除率为62.5%，40℃时去除效果达到 很佳，为65.3%；当温度升至50℃时，相比较40℃时的去除率有所下降，为63.3%。

 

        有研究发现，反应体系中温度越高其反应的活化能就越低，从而增加反应速率常数，促进臭氧反应有效进行，因此在反应体系温度从10℃至40℃的过程中，目标有机物的降解效率逐渐升高。但随着反应温度的逐渐增加，臭氧在反应体系中的溶解度会降低且臭氧的自分解效果增强，从而造成传质推动力降低的现象。根据亨利定律可知，温度升高时挥发性溶质的挥发能力变强，亨利系数就会增大。换而言之，同样分压下反应环境的温度越高，气体的溶解度就越小。因此，可以推断反应体系温度过高时，臭氧从气相进入液相的传质推动力减小，从而引起BTEX降解效率和臭氧自身利用率的降低。此外，还有报道称当温度过高时，有机污染物的相互富集和吸附被抑制，这一现象会降低反应速率，从而降低目标有机物的去除效果。除上述分析外，目标有机物的挥发性会随温度升高而增加。因此，在臭氧对有机物氧化的过程中不可盲目地增加反应温度。结合实际处理过程中温度的影响，本研究采用30℃作为 很佳反应温度。

 

2.3臭氧投加量对臭氧氧化降解BTEX的影响

 

        臭氧的通气量直接影响目标有机污染物的降解效果和实际处理过程中的工艺成本。根据前人的研究成果可知，臭氧浓度越高则有机物去除率越大。但在实际处理过程中，考虑运行成本等因素，不能一味增加臭氧投加量来提高反应效率。因此，本研究主要探索臭氧投加量对BTEX去除的影响（图4）。

 

        从图4可以看出，当臭氧投加量为0.5~3.5g/L时，溶液中有机污染物去除率逐渐升高，在0.5g/L、1.0g/L、1.5g/L、2.0g/L、2.5g/L、3.0g/L和3.5g/L的臭氧投加量时，目标有机物的去除率分别为31.7%、44.4%、48.5%、49.3%、51.3%、58.5%和67.1%；当臭氧投加量为4~5g/L时，有机污染物的去除率虽然增加，但增加趋势降低。当臭氧投加量为4.0g/L、4.5.0g/L和5.0g/L时，有机污染物的去除率分别为68.2%、67.9%和

 

        这是因为当臭氧投加量较低时，反应体系中自由基浓度逐渐升高，自由基氧化有机污染物致使有机物矿化程度提升，从而被有效降解；但当臭氧浓度较高时，臭氧产生的自由基浓度较高，自由基在与目标有机物反应的同时自身也会相互作用，形成自由基的淬灭效应。此外，较高浓度的臭氧还会导致臭氧的传质作用下降，降低臭氧的使用效率。

        综合上述分析，本研究认为使用臭氧氧化去除BTEX时臭氧的 很佳投加量应为3.5g/L。

 

2.4臭氧投加模式对臭氧氧化降解BTEX的影响

 

        根据上述结果，本实验在pH值为8、温度30℃、臭氧投加量3.5g/L的条件下，对反应体系进行臭氧投加模式的影响实验。实验中臭氧的投加模式分逆流投加和顺流投加。对比目标有机物的去除效果，分析逆流投加和顺流投加对BTEX去除的影响（图5）。

 

        从图5可以看出，当昊氧的投加模式为顺流时，BTEX的去除效率为69.2%；当臭氧的投加模式为逆流时，其降解效率为76.3%，增加了7.1%。

逆流投加模式的去除效果明显优于顺流投加模式。这很可能是因为逆流投加时，反应体系中臭氧及臭氧分解所释放的自由基与废水中的有机物增加了接触机会，增强氧化剂的使用效能。自由基的有效利用可以高效去除目标有机物，从而达到更理想的处理效果。

      作者：彭思伟等：基于臭氧氧化对煤化工废水中苯系污染物去除的研究