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        江苏铭盛环境

        石化污水活性炭催化臭氧氧化技术

        文章出处:未知发表时间:2021-12-21 13:53:19



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          随着国度对环境问题的日益关注,难降解有机物污水管理特别是COD的深度处置已成为现阶段我国工业污水理范畴中的一个热点。臭氧催化氧化技术以臭氧气体为氧化剂,应用催化剂促进臭氧分解生成羟基自在基(?OH)发作自在基链式反应去除污水中COD,该工艺过程简单高效,是应用性较强的一种高级氧化技术。催化剂是臭氧催化氧化技术的中心,其中非均相催化臭氧氧化技术具有无需投加化学试剂、不产生二次污染的特性,在污水深度处置范畴有较好的开展前景。非均相催化剂通常包括金属氧化物催化剂、活性炭催化剂和负载型催化剂几种,是近年来研讨的热点。活性炭作为一种多孔性资料,吸附性能较强,并且具有水溶液中催化臭氧合成生成羟基自在基的作用,是臭氧催化剂良好的载体。李根等应用多种活性炭作为催化剂实行催化臭氧降解草酸的效果研讨,得出活性炭外表的羟基数量与催化臭氧氧化一级动力学速率常数存在较为明显的指数关系,是活性炭催化臭氧合成的主要活性位点。Wei等构建碳铝复合载体负载金属催化剂用于臭氧催化氧化反应,以氧化铝小球为载体,经过在外表构成活性炭和金属分层构造,应用氧化铝的构造支撑作用和活性炭及活性金属的催化臭氧合成作用,获得了很好的效果,但是受限于氧化铝基体的价钱本钱较高。笔者以活性炭为主要载体组分,制备了低本钱的活性炭复合催化剂,并运用外表活性剂实行改性,用于石化污水的臭氧催化氧化处置,系统地调查了催化剂影响效果,以及反应空速和臭氧投加量等参数对污水COD去除率的影响。

         

          一、实验过程

         

          1.1 原水水质

         

          实验采用的石化污水为某石化公司工业污水处场污水回用产生的反浸透浓水,该污水的水质指标如表1所示

         

        图片48 

          1.2 催化剂的制备

         

          以商用粉末活性炭为主要载体成分与活性黏土按一定比例混合成型,在适合的条件下焙烧制得活性炭复合载体资料。以商业柱状活性炭及上述活性炭复合资料为载体,二氧化锰为活性金属组分,采用等体积浸渍法制备了催化剂,分别记为ACCHACFH-1。分别用十二烷基磺酸钠和硬脂酸钠对活性炭复合催化剂ACFH-1实行改性,制得催化剂ACFH-2ACFH-3

         

          1.3 催化剂表征

         

          应用美国MICROMERITICS公司生产ASAP2420型氮气物理吸附仪(BET)测定比外表积和孔道构造;应用日本JEEOL公司生产JEM7500F型扫描电镜(SEM)对催化剂的外表构造实行表征;应用日本JEOL公司生产JEM2200F型透射电镜(TEM)测试催化剂外表活性金属散布。

         

          1.4 实验办法

         

          在自行设计的反应设备实行催化剂的反应活性评价,石化污水置于50LPE桶中,经过爬动泵控制流量进人到反应器中。应用青岛国林实业股份有限公司生产CF-G-3-10g型臭氧发作器产生臭氧,并经流量计在线控制气体流量,与污水一同进入反应器中发作臭氧催化氧化反应反应器为有机玻璃柱,内径为40mm,底部设有曝气头,催化剂装填量为500mL

         

          经过硝酸和氢氧化钠调理溶液的pH。水样COD采用重铬酸盐法(HJ828)实行测定。臭氧应用率的计算式为:

         

        图片49 

          式中:η为臭氧应用率;Cin为进入反应器的初始气相臭氧浓度,Cout为出反应器的气相臭氧浓度。

         

          二、实验结果与讨论

         

          2.1 催化剂的表征

         

        图片50 

          对ACCHACFH-1ACFH-2ACFH-3四种催化剂的物理性质实行表征,结果如表2所示。从表2中能够看出,催化剂比外表积从大到小的次第为:ACCH>ACFH-1>ACFH-2>ACFH-3。这是由于自制活性炭复合催化剂含有起构造支撑作用的黏土组分,在高温下烧结成相似陶瓷的固体,招致焙烧后的比外表积和孔容都低于活性炭催化剂,但是活性炭复合催化剂的强度明显高于活性炭催化剂,且磨耗显著降低。外表活性剂改性对活性炭复合催化剂的强度和磨耗无明显影响,但由于外表活性剂会吸附于催化剂孔道,比外表积和孔容有所降低。由此能够看出,自制的活性炭复合催化剂改性前后均具有较高的强度和较低的磨耗,综合性能契合工业应用的请求。

         

        图片51 

          为了进一步研讨活性炭复合催化剂的微观构造,对ACFH-1实行扫描电镜剖析,结果如图1所示。从图1(a)中能够看出,活性炭组分被黏土组分包裹,平均地烧结在一同,黏土烧结构成的高强度构造起到支撑催化剂的作用,这是活性炭复合催化剂强度较大,而比外表积较单独活性炭催化剂低很多的一个缘由。但从图1(b)能够看出,黏土组分自身具有一定的孔道构造,成型后也具有一定的比外表积,与活性炭组分一同为活性金属的负载提供了充沛的位点。

         

          2.2 催化剂对臭氧氧化效果的影响

        图片52 

         

          经过在反应器内装填不同催化剂实行催化剂对臭氧氧化效果的影响的比照实验,以等体积的惰性瓷环填料替代催化剂实行臭氧催化氧化空白实验,记为blank。不同催化剂的催化活性比照结果如图2所示。由图2能够看出,单独臭氧氧化时,污水的COD去除率比拟稳定,均匀值为21.4%。加人催化剂后COD去除效果明显提升,在反应初期,4种含活性炭的催化剂都表现出较强的吸附才能,初期2h内,ACCHACFH-lACFH-2ACFH-3催化剂吸附作用和臭氧催化作用的叠加,对污水COD的去除率都超越90%。随着运转时间的延长,吸附作用逐步削弱,ACCHACFH-1ACFH-2ACFH-3催化剂分别运转765244h44h后出水COD开端到达稳定,此时吸附作用的影响能够疏忽不计。稳定后ACCHACFH-1ACFH-2ACFH-3催化剂的COD去除率均值分别为53.6%66.7%76.8%73.7%,较单独臭氧氧化时分别进步32.2%45.3%55.4%52.3%。由此可见,催化剂的加人显著加强了臭氧氧化体系的氧化水平。这是由于催化剂能够将水溶液中溶解的臭氧催化合成为氧化电位高达2.80V的羟基自在基(?OH)?OH可以近乎无选择性地与大多数有机物发作氧化反应反应速率常数在106~1010M/s之间,比臭氧与有机物反应速率常数高近7个数量级,因而本来难以被臭氧氧化的有机污染物能够被催化剂产生的羟基自在基氧化,COD明显降低。商用活性炭催化剂的活性炭含量远高于自制活性炭复合催化剂,但是其COD去除效果并不如自制催化剂。这是由以下两方面要素形成:一是活性炭在外表羟基等活性位点作用下能够催化臭氧合成生成羟基自在基,但大量活性炭的存在会使臭氧合成过程明显加快,招致自在基部分过量而互相湮灭,使反应效率降低,二是活性炭的吸附作用较强,相对的脱附速率较慢,限制了吸附-脱附-反应过程的反应效率。细致缘由还需求对反应机理和动力学实行更深人的研讨。经过改性的ACFH-2ACFH-3催化剂的催化效果好于ACFH-1,这是由于改性后的催化剂对臭氧应用水平和污水中有机污染物的吸附亲和才能增加,降低了污染物在水相中到催化剂外表的传质阻力,进步了反应效率。

         

        图片53 

          在扫除吸附作用影响后,比拟了几种办法的臭氧应用率,结果如表3所示。从表3中能够看出,在臭氧氧化体系中加人ACCHACFH-lACFH-2ACFH-3催化剂均能进步臭氧应用率,相比单独臭氧氧化时43.6%的臭氧应用率,4种催化剂加人后分别进步了18.6%25.3%30.7%29.0%。相同的反应空速、臭氧投加量等实验条件下,臭氧在水溶液中的溶解度根本不变,催化臭氧氧化时的臭氧应用率明显高于单独臭氧氧化,阐明在此过程中有更多的臭氧发作了合成以羟基自在基的方式参与了反应,这也是催化剂进步污水COD去除率的一个主要缘由。分离图2和表3能够看出,改性后的活性炭复合催化剂的催化效果好于改性前是由于改性后活性炭复合催化剂可以应用更多的臭氧来与有机污染物实行反应或强化了吸附传质过程。活性炭复合催化剂外表活性剂改性后会招致其电负性加强,而且活性炭外表局部含氧官能团会被疏水性烷基端掩盖,改动了活性炭外表化学性质和对有机污染物的吸附性能,这是催化剂臭氧应用率升高和COD去除率增加的缘由。关于其中的详细影响要素和催化反应机理将会在后续工作中继续深化研讨。

         

          2.3 反应条件对催化剂活性的影响

         

          2.3.1 反应空速和臭氧投加量的影响

         

        图片54 

          以ACFH-2ACFH-3催化剂为例,调查反应空速对污水COD去除率的影响,结果如图3所示。由图3中能够看出,在臭氧投加量为200mg/L时,随着反应空速从0.5h-1增大到2.0h-1ACFH-2ACFH-3催化剂的污水COD去除率均呈现降低的趋向。在空速为0.51.01.5h_12.0时,ACFH-2催化剂的COD去除率分别为82.3%76.8%67.8%52.9%ACFH-3催化剂的COD去除率分别为80.5%73.7%64.3%50.2%。标明较低的空速有利于污水COD的去除。但随着空速的降低,COD去除率的增加量却越来越小,这是由于低空速时臭氧的接触时间足够长,曾经接近臭氧氧化的极限,所以增加不明显。但在实践的工业应用中,还应该依据处置量、反应器设计参数等选择适宜的反应空速。

         

        图片55 

          将反应空速固定在1h-1不变,调理臭氧投加量从50mg/L增加到400mg/L,对应的COD去除率变化状况如图4所示。从图4中能够看出,臭氧投加量为50mg/L时,ACFH-2ACFH-3催化剂的污水COD去除率为42.1%37.8%,臭氧投加量从50mg/L升高到100mg/LACFH-2ACFH-3催化剂的污水COD去除率分别增加了15.2%16.0%,臭氧投加量继续增大到150mg/L,污水COD去除率分别增加11.9%11.8%,但随着臭氧投加量继续增加,污水COD逐级增加的幅度开端变小。臭氧投加量从350mg/L增加到400mg/L时,ACFH-2ACFH-3催化剂的污水COD去除率仅仅分别增加了2.3%2.6%。这是由于随着投加量的增加,固然臭氧用量不断在增加,但是并没有完整用于有机污染物合成,还有局部臭氧量是无效合成。这是由于溶液中与有机物实行反应的臭氧浓度受臭氧溶解、合成和反应的共同影响。随着臭氧投加量的增加,一方面,溶液中臭氧逐步到达溶解饱和,与有机物的反应趋于完整,增加臭氧投加量效果不明显,另一方面,臭氧在溶液中的合成和反应影响增大。当臭氧在溶液中到达溶解、合成和反应的动态均衡后,再增加臭氧投加量,臭氧的无效合成增加,用于有机物氧化反应局部增加不多。因而,臭氧投加量增大,但COD去除率上升变缓。思索到较高的臭氧投加量会增加臭氧发作器的能耗,因而实践应用中应分离COD去除的目的和经济性选择适宜的臭氧投加量。

         

          2.3.2 催化剂的稳定性调查

         

        图片56 

          为了调查改性后活性炭复合催化剂的稳定性,运用ACFH-2ACFH-3催化剂在空速为1.0h-1、臭氧质量浓度为200mg/L反应条件下实行150h的连续运转调查,结果如图5所示。从图5中能够看出,污水进水COD178?183mg/L之间,ACFH-2出水COD最高值为44.2mg/L,最低值为40.3mg/L,均匀去除率为76.7%ACFH-3出水COD最高值为48.8mg/L,最低值为45.3mg/L,均匀去除率为73.5%,出水COD值都小于50mg/L的请求,并都在150h坚持了稳定的催化活性。因而,改性活性炭复合催化剂具有良好的催化活性和稳定性,具有良好的应用前景。

         

          三、结论

         

          将自制改性活性炭复合催化剂用于臭氧催化氧化处置石化污水,分离物性表征结果得到以下结论:

         

          (1)改性活性炭复合催化剂具有高强度、低磨耗的特性,加人到臭氧氧化体系后能明显进步污水COD去除率和臭氧应用率。ACFH-2ACFH-3的污水COD去除率分别为76.8%73.7%,明显高于单独臭氧氧化的21.4%和加ACCHACFH-1后的53.6%66.7%,并且臭氧应用率较单独臭氧氧化进步了约30%

         

          (2)低空速和高臭氧投加量有利于进步污水COD去除率,在空速为1.0h-1、臭氧质量浓度为200mg/L的条件下,ACFH-2ACFH-3出水COD值均小于50mg/LCOD去除率稳定在76.7%73.5%,稳定运转150h活性没有明显降低,表现出良好的催化活性和稳定性。

         


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