無極光催化臭氧氧化降解塑化劑廢水工藝與裝置說明書

無極光催化臭氧氧化降解塑化劑廢水工藝與裝置作品說明設(shè)計(jì)者：賈賀，常艦，周緣緣指導(dǎo)教師：王利平，王少莽(環(huán)境與安全工程學(xué)院)摘要：針對(duì)塑化劑有機(jī)廢水致畸和致突變的潛在危害性，本項(xiàng)目提出利用自制陶粒為催化劑載體，通過無極光催化臭氧氧化降解塑化劑有機(jī)廢水，設(shè)計(jì)出完整工藝，并形成裝置。在此基礎(chǔ)上深入分析光強(qiáng)、臭氧濃度、離子等多種因素對(duì)于該降解過程的影響，并探討其降解機(jī)理。關(guān)鍵字：DOP有機(jī)廢水無極光催化臭氧粉煤灰陶粒作品內(nèi)容簡(jiǎn)介隨著化工、染料、醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展，高濃度難生化降解廢水越來越多。目前O/HO,UV/HO,UV/TiO以及多相催化臭氧化的應(yīng)用更為廣泛，光催322' 22' 2化-臭氧聯(lián)用技術(shù)在有機(jī)廢水治理方面顯示了廣闊的應(yīng)用前景。鄰苯二甲酸二辛酯(dioctylphthalate，DOP)，隸屬于鄰苯二甲酸酯類化合物(簡(jiǎn)稱PAEs)，是目前產(chǎn)量及消費(fèi)量最大的一種通用型增塑劑。本研究基于自制的金屬氧化物催化劑，以自制陶粒為催化劑載體，探討無極光催化臭氧氧化(O3/TiO2/UV)工藝降解塑化劑有機(jī)廢水的工藝，并制作實(shí)物裝置，解決高濃度有機(jī)廢水難降解問題。該裝置上方為無極光催化的反應(yīng)器，包括微波發(fā)生器、無極燈管、排熱扇。下方為放置塑化劑有機(jī)廢水的玻璃容器。該玻璃容器為雙層，外層通循環(huán)冷卻水。臭氧通過外加導(dǎo)管插入有機(jī)廢水中。裝置上下層通過中間的固定板固定。利用粉煤灰制備陶粒。粉煤灰陶粒產(chǎn)品比表面積大，吸附性能良好，可用于水處理。將TiO2，鐵和錳作為催化劑的活性組分，將其負(fù)載至陶粒上，制備出一種新型的用于無極光催化臭氧的復(fù)合材料，并將其置于有機(jī)廢水中做固體催化劑。在此基礎(chǔ)上深入分析光強(qiáng)、臭氧濃度、離子等多種因素對(duì)于該降解過程的影響，并探討其降解機(jī)理。利用設(shè)計(jì)出的這一套無極光催化臭氧氧化降解塑化劑有機(jī)廢水的裝置，團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)。并用DesignExpert軟件建立的響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化無極光催化臭氧氧化實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)最佳分案，設(shè)計(jì)出完整裝置并為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1原料及原水質(zhì)本實(shí)驗(yàn)以粉煤灰為主要原料，添加粘土和硅酸鈉為輔料燒制陶粒。實(shí)驗(yàn)所用的粉煤灰為常州市某發(fā)電廠產(chǎn)生的細(xì)灰，粉煤灰中SiO2含量較高，同時(shí)含有AlO和FeO。23 23鄰苯二甲酸二辛酯（DOP），是目前產(chǎn)量及消費(fèi)量最大的一種通用型增塑劑，也是環(huán)境污染物潛在的主要來源之一。原水水質(zhì)采用模擬DOP廢水：取0.1ml鄰苯二甲酸二辛脂溶于100ml無水乙醇中，水質(zhì)指標(biāo)COD為1000~1200mg/L。1.2試驗(yàn)裝置將粉煤灰、粘土和一定量的硅酸鈉由不同比例混合，人工制成5~12mm的料球，然后將制成的料球放入烘箱中干燥2h，隨后進(jìn)入高溫階段進(jìn)行焙燒，最后冷卻至室溫制得陶粒。選取合適的催化劑活性組分鐵錳及TiO2負(fù)載于陶粒，運(yùn)用無極光催化臭氧氧化法降解塑化劑DOP有機(jī)廢水。以COD為指標(biāo)，考察無機(jī)光強(qiáng)度、臭氧流量、催化劑投加量、pH和反應(yīng)時(shí)間等影響因素，開展多相催化臭氧氧化降解塑化劑DOP有機(jī)污染物的研究。2.結(jié)果與討論2.1負(fù)載比的確定本實(shí)驗(yàn)催化劑采用浸漬法制備。把載體放到活性組分的可溶性鹽溶液中浸漬后加熱使之干燥，再分解硫酸鹽，催化劑組分就沉積在載體的外表面以及載體的內(nèi)表面。此階段主要考察不同鐵錳比對(duì)DOP廢水COD去除率的影響。706070605040302010 20 30 40 50 60時(shí)間(min)圖1不同鐵錳比對(duì)COD去除率的影響由圖1可知，隨著時(shí)間的增加，不同鐵錳比對(duì)COD的去除率逐漸增加，顯然當(dāng)Fe：Mn為1:2時(shí)，污染物的去除效果最高。2.1不同光強(qiáng)的影響1.201.000.80率余0.60剩0.400.200.00不同光強(qiáng)1.201.000.80率余0.60剩0.400.200.00不同光強(qiáng)10 15 202530時(shí)間圖2光強(qiáng)對(duì)DOP的去除率影響由圖2可知，光強(qiáng)強(qiáng)度明顯的影響著DOP的去除效果。隨著光強(qiáng)強(qiáng)度的降低，對(duì)DOP的去除率明顯下降，當(dāng)光強(qiáng)強(qiáng)度分別為450.w?cm-2,304.w?cm-2，150.w?cm-2，56.wcm-2時(shí)，去除率分別為86%，85%，50%，42%。所以光強(qiáng)是影響光催化降解的因素。2.3TiO投加量不同TiO2的量1.201.000.80率余0.60剩0.400.20圖3TiO2投加量對(duì)DOP降解的影響由圖3可以看出，隨著TiO2的量的增加DOP降解率也逐步提高，當(dāng)TiO2為0.25mg時(shí)反應(yīng)30min后去除率為38%；當(dāng)TiO2為4mg時(shí)反應(yīng)30min后去除率為90%。7.005.00B:pH3.00- 7.005.00B:pH3.00- 2.00- 1.501.00 A:陶粒投加量選取在無極光催化最優(yōu)條件下，用控制變量法，研究臭氧對(duì)DOP廢水處理效果。當(dāng)臭氧通量為6g/h時(shí)，pH與陶粒投加量對(duì)DOP廢水COD去除率影響如下圖。FactorCoding:ActualCOD去除率DesignpointsabovepredictedvalueDesignpointsbelowpredictedvalue67.732.4X1=A:陶粒投加量X2=B:pHActualFactorC:臭氧投加量=6.0040-202.508.00 -6.00C:臭氧通量 8.00 -6.00C:臭氧通量 4.003.005.007.00B:pH1.000.50圖4pH和陶粒投加量對(duì)COD去除率的影響圖由圖4可知，當(dāng)陶粒投加量一定時(shí)，隨著pH值的增加，COD去除率先增加，當(dāng)pH值為5時(shí)，COD去除率達(dá)到最大。當(dāng)pH繼續(xù)增加時(shí)，COD去除率卻不斷下降。從而表明在酸性條件下，更有利于多相催化臭氧工藝降解DOP廢水。這可能是因?yàn)樵谌跛釛l件下更易于DOP分解為小分子，從而利于臭氧的氧化。當(dāng)pH為固定值時(shí)，隨陶粒投加量增加，COD去除率有所增加這主要是因?yàn)榉勖夯姨樟Ｍ都恿吭黾訒r(shí)吸附位點(diǎn)增多，吸附速率加快。FactorCoding:ActualCOD去除率DesignpointsabovepredictedvalueDesignpointsbelowpredictedvalue67.732.4X1=B:pHX2=C:臭氧通量ActualFactorA:陶粒投加量=1.50",20-9.002.00 1.00圖5臭氧通量和pH對(duì)COD去除率的影響圖608.006.00C:臭氧通量608.006.00C:臭氧通量4.00, 2.001.501.00A:陶粒投加量當(dāng)陶粒投加量為1.5g時(shí)，臭氧通量和pH對(duì)DOP廢水COD去除率影響如圖5。由圖可知，COD去除率隨臭氧通量增加而增加，因?yàn)槌粞趿康脑黾颖砻髁肆u基自由基量的增加，氧化降解的效果就越好，且臭氧通量對(duì)COD去除率影響較明顯。FactorCoding:ActualCOD去除率DesignpointsabovepredictedvalueDesignpointsbelowpredictedvalue67.732.4X1=A:陶粒投加量X2=C:臭氧通量ActualFactorB:pH=5.00402.000.50圖6臭氧通量和陶粒投加量對(duì)COD去除率的影響當(dāng)pH為5時(shí)，陶粒投加量和臭氧通量對(duì)DOP廢水COD去除率的影響如圖4。從圖中可以看出，當(dāng)陶粒投加量增加時(shí)，COD去除率越大。這是因?yàn)樘樟Ｍ都恿吭黾颖砻髁髓F錳負(fù)載量的增加，催化臭氧產(chǎn)生更多的羥基自由基。從而使得DOP廢水COD去除率越高。最后，試驗(yàn)對(duì)多相催化臭氧工藝進(jìn)行優(yōu)化，主要是尋找最佳反應(yīng)條件使得響應(yīng)值最大化，即尋找處理效果最好的工藝條件。根據(jù)響應(yīng)面二次多項(xiàng)式回歸方程，使用DesignExpert軟件，求COD去除率的最大值，得到優(yōu)化條件見下表。

優(yōu)化方案因素取值范圍優(yōu)化方案COD去除率預(yù)測(cè)值陶粒投加量0.5~2.52.5pH1~94.8383.9臭氧通量2~1010選取負(fù)載陶粒投加量為2.5g,pH為5,臭氧通量為10L/min，處理DOP,COD去除率為81.2%，與預(yù)測(cè)COD去除率83.9%，比較接近。說明建立的模型能真