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催化臭氧氧化影響因素及效果分析

很多臭氧實驗證明，以下幾個因素影響著催化臭氧氧化效果。
 

1. 初始pH 值

廢水初始pH 值是影響催化臭氧氧化效果的主要因素之一。廢水初始pH 值會極大影響臭氧的分解速度、羥基氧化鐵表面羥基的電荷形態及有機物在水溶液中的存在形態,從而影響催化臭氧氧化的效果。實驗選取了5 個不同的pH 值,用1 mol·L - 1 的硝酸和NaOH 溶液調節廢水pH 值,催化劑投加量為200g·L - 1 ,臭氧投加量為10. 7 mg·min - 1 ,研究不同pH 值對催化臭氧氧化效果的影響。單獨臭氧氧化實驗不調節pH 值,為原水pH 值(6. 9)。

 

圖1

 

由圖1可知,催化臭氧氧化(catalytic ozonation,CO)的COD 去除率可以達到(66. 2 ± 1. 7)% ,比單獨臭氧氧化(single ozonation,SO) 的(47. 6 ± 2. 6)% 提高了近20 個百分點;而TOC 去除率則可以達到(58. 4 ± 2. 1)% ,比單獨臭氧氧化的(28. 8 ± 1. 9)% 提高了近1 倍。調節廢水pH 值,無論是酸性(pH = 4,5),還是堿性(pH = 9,10),催化臭氧氧化的效果都不如中性(pH = 7)的效果好,這可能是因為羥基氧化鐵的零電荷點(pHpzc )在中性附近,過酸和過堿都影響了羥基氧化鐵表面羥基的電荷形態。需要注意的是:當pH = 4 時,COD 的去除率不如單獨氧化的,但TOC 的去除率卻比單獨氧化的高。這是因為單獨臭氧氧化很難降解煤化工生化出水中的難降解有機物,從而TOC去除率低;而pH = 4 時催化臭氧氧化一定程度上降解了這部分難降解有機物,甚至是難以測出COD 的有機物,但效果沒有中性和堿性條件下的好,依然有一部分降解不完全,反而被檢測出COD,從而COD 的去除率反而降低。

 

 

2.催化劑投加量

催化劑為催化臭氧氧化提供了活性位點,通過吸附臭氧、水、有機物,提供三相反應界面,從而影響催化臭氧氧化的效果。實驗選取了3 個不同的催化劑投加量,不調節pH 值(中性),臭氧投加量為10. 7mg·min - 1 ,研究催化劑投加量對催化臭氧氧化效果的影響。由圖2 可知,適量增大催化劑的投加量,確實可以提高催化臭氧氧化的效果。但過多的催化劑提供了過多的活性位點,反而降低了單位活性位點上的臭氧和有機物濃度,從而降低了局部的反應速率,使得整體的反應速率并沒有顯著提高。如200 g·L - 1 和400 g·L - 1 的催化劑投加量差距1 倍,但效果增幅不明顯。

圖2

 

3.臭氧投加量

臭氧是有機物降解的直接動力,其投加量直接影響催化臭氧氧化的速率及效果。實驗通過調節所用臭氧發生器電流檔位改變臭氧投加量,并用碘量法測出臭氧產生量。廢水不調節pH 值(中性),催化劑投加量為200 g·L - 1 。由圖3 可知,不通臭氧,單純通空氣時,催化劑對廢水只有吸附作用,此時COD 和TOC 的去除率僅有(8. 6 ± 0. 3)% 和(12. 1 ± 0. 4)% 。增大臭氧投加量對COD 和TOC 的去除率的提有限,這可能與臭氧的利用率有關,有效利用的臭氧較少,但增大臭氧投加量,有利于三相界面的傳質,反應速率更快,特別是在短時間內效果顯著。

圖3

 

 4.催化臭氧氧化效果分析

全波長掃描可以反映溶液整體對某一波長光的吸收性,適合分析含多種有機物的實際廢水。其中,紫外譜圖提供的是常見官能團信息。若溶液在220 ~ 250 nm 波段有強烈吸收,說明該溶液化合物中存在共軛雙鍵(共軛二烯烴、不飽和醛、不飽和酮),否則可能是飽和脂肪烴、脂環烴或其衍生物;化合物在250 ~290 nm 波段有強烈吸收,說明化合物分子中有苯環存在(以UV254 為代表);化合物在300 nm 以上有強烈吸收,說明分子中有較大的共軛體系(大分子腐殖質,以UV410 為代表)。廢水不調節pH 值(中性),臭氧投加量為10. 7 mg·min - 1 ,催化劑投加量為200 g·L - 1 。

圖4

 

由圖4 可知,廢水在200 ~ 300 nm 波段有很強的吸收,300 nm 以上波段吸收較弱,處理后各波段吸光度都有所下降,表明單獨臭氧氧化和催化臭氧氧化對廢水有機物都有作用。其中,隨著反應的進行,單獨臭氧氧化和催化臭氧氧化在220 ~ 250 nm 波段的吸收都有所增強,說明溶液中共軛雙鍵增多,這很有可能是廢水中苯環開環的結果。相對而言,催化臭氧氧化在220 ~ 250 nm 波段的吸收較單獨臭氧氧化的弱,說明催化臭氧氧化對共軛雙鍵的作用比單獨臭氧氧化強,處理效果更好,這也是催化臭氧氧化的TOC 去除率更高的原因。

表2

 

由表2 可知,單獨臭氧氧化對廢水UV254 的去除率為72. 1% ,催化臭氧氧化對廢水UV254 的去除率為80. 7% ,催化臭氧氧化的處理效果優于單獨臭氧氧化。