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有機染料工業廢水處理技術 哪家靠譜?

文章出處:未知發表時間:2021-12-09 14:40:40


 

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  精細化工的快速展開給人類衣食住行提供龐大便利的同時,也為環境維護帶來極大應戰。其中染料工業的生產廢水已成為當前主要的水體污染源。在紡織印染過程中,每年約消耗300000t各種不同染料,其中約有60%70%屬于偶氮染料。偶氮染料是一種易于合成、著色才干強、運用普遍的有機染料。大多數的偶氮染料結構復雜,且很難被生物降解。未經處置的偶氮染料廢水排入自然水體后,不只影響水體透光性招致視覺污染,而且大部分偶氮染料具有致癌致突變作用,經過食物鏈富集進入人體后,還會引發各種疾病,因此偶氮染料廢水成為工業廢水處理的重點和難點。

 

  近年來,多種方法已應用到有機廢水處置范疇,其中高級氧化技術(AOPs)因具有處置效率高、降解較徹底、二次污染少等優點而備受關注。高級氧化技術又稱深度氧化技術,是在高溫高壓、電、聲、光輻照、催化劑等反響條件下產生具有強氧化才干的羥基自由基(.OH),使大分子難降解有機物氧化成低毒或無毒的小分子物質的技術,包括濕法空氣氧化法、超臨界水氧化、芬頓氧化、光催化氧化、臭氧氧化法、等離子體技術等,固然它們的反響機理不相同,但都主要經過產生羥基自由基來氧化有機物,并將之礦化成二氧化碳和水。其中,低溫等離子體氧化技術不只富集了具有強氧化性的自由基以及激起態的原子、分子等高活性粒子,可使難降解有機物分子激起、電離或斷鍵,而且氧化過程中還伴隨有紫外光輻射、沖擊波等物理化學效應,可以加速有機物的降解。目前應用于廢水處置的低溫等離子體技術主要有電暈放電、輝光放電、滑動弧放電和介質阻撓放電。劉丹等采用雙桿介質阻撓放電裝置實行了降解酸性大紅GR的實驗,研討結果標明放電間距為4mm時,放電穩定均勻,能產生較大面積的放電,當能量密度為73.83kW.h.m-3時,50mL初始質量濃度為30mg/L的廢水溶液降解率抵達70.0%,但是該裝置處置水量較少并且能量糜費明顯,能量效率僅為2.84mg.kW-1.h-1MonicaMagureanu等采用多線-板結構反響器采用電暈放電方式實行了處置亞甲基藍的實驗,模擬廢水水量為35mL,初始濃度50mg/L,峰值電壓17kV,放電頻率27Hz,經過10min處置后完好脫色,但是同樣該裝置處置水量較少,能量效率抵達1.3g.kW-1.h-1。納秒脈沖電暈放電技術由于其脈沖上升沿極短,對產生自由基無用的離子等重粒子尚未加速脈沖就已實行,能量集中作用在自由電子上,可以得到豐厚的高能電子,并且避免放電空間焦耳熱生成的問題,具有較高的能量應用效率。

 

  采用火花開關的脈沖放電等離子體系統中,最基本的電路是高壓電容經過火花開關向反響器放電。Yan等開發的基于傳輸線變壓器(TLT)的脈沖功率系統是極具工業應用前景的技術方案。TLT與傳統磁芯脈沖變壓器相比,在上升時間、脈沖畸變程度、耦合系數及頻率響應等方面具有優勢。TLT的基本思想是應用輸入與輸出端的阻抗變換,來完成電路參數的轉換。為了在等離子體產生系統中獲得更高的放電電壓,通常在TLT的輸入端采用并聯方式,每級傳輸線的輸入波形相同,而在輸出端采用串聯方式,這樣可以在反響器負載上完成倍壓效果,提升電壓等級。

 

  本文實驗采用基于TLT的重頻高壓納秒脈沖電暈放電等離子體處置酸性紅73染料廢水,自主設計一套水循環式多針-網結構反響裝置,丈量了不同輸入電壓下高壓電容電壓和反響器負載電壓,討論了等離子體處置時間、染料初始質量濃度、放電電壓、放電頻率等要素關于廢水溶液脫色的影響,同時測定了脫色過程中活性物質過氧化氫濃度變化。

 

  一、實驗材料和方法

 

  1.1實驗裝置

 

  重頻高壓納秒脈沖電暈放電等離子體處置酸性紅73染料廢水的實驗裝置如圖1所示,主要包括初級充電電源、高壓電容、火花開關、TLT、水處置反響器以及廢水循環系統六個模塊。高壓電容容值為1.3nF,火花開關導通時電容放電,構成納秒脈沖電壓信號。火花開關材質為黃銅,采用LCR觸發。水處置反響器結構如圖2所示,整體材質為有機玻璃,外部尺寸300mm×200mm×80mm,循環水膜厚度為5mm,等離子體區域水量為273.5mL。高壓電極為60304不銹鋼針,每根針長度10mm,呈610列排布,相鄰兩針間距均為20mm,針尖位于水面上方,兩者之間間隙設定為30mm,介質為空氣,等離子體即在此區域產生。接地極為不銹鋼網,浸沒于廢水底部。廢水由爬動泵從儲液槽泵入反響器,經過低溫等離子體處置后流入儲液槽,經過調理爬動泵轉速來控制廢水循環流量,實驗中水循環流量固定為3.4L/min

 

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  1.2實驗原料與試劑

 

  實驗采用的主要試劑為:酸性紅73,碘化鉀(分析純),氫氧化鈉(分析純),鉬酸銨四水合物(≥98%),靛青三磺酸鉀鹽(≥55.0%),二水合磷酸二氫鈉(分析純),鄰苯二甲酸氫鉀(分析純),磷酸(分析純)30%過氧化氫(優級純)

 

  1.3分析方法

 

  1.3.1電氣分析

 

  脈沖電壓及電流波形用示波器實行讀取。反響系統中單次脈沖能量Eout由電壓電流乘積對時間實行積分運算得出計算公式為

 

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  式中:Uout(t)為反響器負載端的輸出電壓;Iout(t)為反響器流過電流。

 

  負載功率為

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  式中:f為放電頻率。

 

  能量密度(Esi)為單位體積溶液內注入的能量,可表示為

 

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  酸性紅73降解的能量效率由等離子體水處置中常用的G50指標(g.kW-1.h-1)實行評價,即降解率抵達50%時,消耗一度電能量可降解污染物的質量,計算公式為

 

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  式中:C0為廢水溶液初始質量濃度,g/L;V為溶液體積,L;T50AR73降解率抵達50%所需時間,s

 

  1.3.2化學分析

 

  酸性紅73的最大吸收波長為509nm,在一定質量濃度范圍內,染料溶液濃度與其在最大吸收波優點的吸光度成正比關系,所以本文經過采用紫外可見分光光度計丈量廢水溶液吸光度求取其質量濃度,實驗預先配制一系列已知濃度的酸性紅73溶液,得到其標準濃度曲線,如圖3所示。

 

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  酸性紅73降解率為

 

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  中:A0為溶液初始吸光度;A為處置后溶液吸光度。

 

  溶液中過氧化氫濃度經過碘量法實行測定。

 

  1.3.3分析儀器

 

  Tektronix示波器(DPO4054B)NorthStar電壓探頭PVM-5(1∶1000)Pearson電流探頭6800(1∶10),上海光譜紫外分光光度計(SP-752PC),雷磁實驗室pH(PHSJ-3F),雷磁電導率儀(DDSJ-308A)METTLERTOLEDO電子天平。

 

  1.4處置過程

 

  實驗開端前配制1000mL一定初始濃度的酸性紅73模擬廢水溶液,注入儲液槽中。開啟爬動泵向反響器內泵入溶液,液體流經等離子體區域后回到儲液槽中,然后再次被爬動泵送入反響器內,完成廢水循環處置。目前,國內外研討者采用等離子體循環處置廢水的實驗中,廢水循環流量設定較低,而本文實驗中設定為3.4L/min,更快的循環流量有利于脈沖放電等離子體在氣相中產生的活性物質更好地擴散進入液相中,有利于液相中污染物的降解。待水循環穩定后,開啟電源,當交流輸入電壓200V,經過微秒脈沖充電模塊,高壓電容電壓為20kV,火花開光放電頻率為200Hz,反響器上電壓電流波形如圖4所示,峰值電壓為48.05kV,最大電流111.2A,脈沖上升時間約20ns,脈寬約為25ns,放電現象如圖5所示

 

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  二、結果與討論

 

  2.1放電電壓的影響

 

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  圖6為不同交流輸入電壓下,高壓儲能電容電壓以及反響器負載電壓。從圖中可以看出,隨著輸入電壓的升高,電容電壓和放電峰值電壓均提升,當交流輸入電壓為220V時,可以在反響器端產生峰值電壓為52.73kV的脈沖信號,由于本文裝置采用了兩級TLT,可以獲得更高等級的放電電壓,從圖中可以發現負載電壓約為儲能電容電壓的兩倍,電壓等級越高,針尖與水面之間局部電場強度越大,更有利于在曲率半徑極小的針尖端產生電暈等離子體。

 

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  在AR73初始濃度為30mg/L,放電頻率200Hz,溶液初始電導率為30μS/cm,初始pH6.68條件下,等離子體處置30min,不同放電電壓下,酸性紅73降解率隨時間的變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出,提升放電電壓關于酸性紅73降解效果的提升十分明顯。在放電電壓為30.42kV時,經過30min處置后,AR73的降解率僅為14.39%,主要緣由為此時放電電壓較低,針尖與液面之間電場強度偏弱,在氣相中沒有完好構成等離子體放電,產生的活性粒子也較少,因此AR73的處置效果較差。隨著放電電壓的提升AR73降解率顯著提升,當放電電壓提升44.26kV時,氣相中電場強度增大,在放電空間內可以觀察到明顯的電暈放電現象,此時等離子體產生的活性物質增加,AR73降解率抵達83.20%。隨著電壓的繼續加大,放電電壓為52.73kV,處置30min后降解率最高可達97.15%,但是從圖中可以看出當放電電壓提升到一定程度,再繼續增大電壓,污染物降解效果提升并不顯著,僅提升13.95%

 

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  圖8為在放電電壓不同,其他條件均相同的情況下,溶液中過氧化氫濃度隨處置時間的變化曲線。從圖中可以發現,當放電電壓為30.42kV時,溶液中過氧化氫濃度約為34μmol/L,并且隨著處置時間延長,濃度變化不大。而當放電電壓提升52.73kV時,經過30min處置,溶液中過氧化氫濃度可以抵達57.76μmol/L。緣由為提升放電電壓,自由電子在場強更高的電場中獲得的加速度越大,電子能量越高。當高能電子與廢水液面發作碰撞,會生成更多的活性物質,所以過氧化氫濃度越高,更有利于污染物降解。

 

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  提升放電電壓使污染物降解率提升的主要緣由是系統的注入能量增加,但是能耗也因此增加。經過計算得出當放電電壓分別為37.0844.2648.5152.73kV時,放電單次脈沖能量對應分別為4.4111.73326.2740.77mJ。如圖9所示為不同放電電壓下,AR73降解率隨能量密度的變化曲線。從圖中可以看出相同放電電壓下,污染物降解率和能量密度呈正相關的關系,但是存在能量糜費的問題。放電電壓分別為37.0844.2648.5152.73kV時,酸性紅73降解過程G50能量效率分別為32.7731.0716.2712.19g.kW-1.h-1。能量效率隨著放電電壓的升高而降低,緣由在于放電電壓較低時,AR73降解速率緩慢,處置時間相對較長,等離子體產生的活性物質應用率高。

 

  2.2放電頻率的影響

 

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  在放電電壓44.26kV,酸性紅73初始濃度為30mg/L,初始電導率為30μS/cm條件下,調查不同放電頻率50100150200Hz關于污染物降解的影響。AR73降解率隨處置時間的變化曲線如圖10所示,經過相同處置時間,AR73的降解率隨著放電頻率的提升而上升。當放電頻率為50Hz時,30minAR73的降解率為46.87%,而將放電頻率提升200Hz后,AR73降解率可以抵達83.20%,處置效果提升至原來的1.8倍。

 

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  如圖11所示,改動放電頻率關于單次脈沖能量的影響很小,證明本文實驗采用的自制納秒脈沖電源系統運轉穩定。不同頻率下單次脈沖能量約為13mJ提升放電頻率,即相同時間內放電次數增加,本質上提升了電源向反響器內注入能量,放電生成的活性粒子數量增加,增大了與污染物分子發作有效碰撞的機率,處置效果得到提升。如圖12所示為不同放電頻率下過氧化氫濃度隨處置時間的變化曲線。當放電頻率為50Hz時,溶液中過氧化氫濃度較低,僅為34.99μmol/L,并且隨著處置時間延長H2O2濃度變化不大。當放電頻率提升,溶液中過氧化氫濃度得到提升,標明生成活性物質增加,AR73降解率因此上升。放電頻率為200Hz時,溶液中過氧化氫濃度可以抵達47.36μmol/L。綜合降解效果和注入能量思索,如圖13所示為不同頻率降落解率和能量密度的關系,可以清楚發現隨著能量密度提升,處置效果獲得提升,當能量密度為1.3121kW.h.m-3時,降解率最高抵達83.20%,同時也發現降解率的提升與能量密度的增加不呈線性關系。當放電頻率分別為50100150200Hz時,反響器G50能效分別為4526.6930.9431.07g.kW-1.h-1

 

  2.3染料初始質量濃度的影響

 

  在相同放電條件(放電電壓44.26kV,重復頻率200Hz),初始pH6.68、液體循環流量為3.4L/min情況下,調查了當AR73初始質量濃度分別為1020304050mg/L時降解率隨時間的變化曲線,結果如圖14所示。

 

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  從圖14中可以看出,隨著初始濃度增加,經過相同處置時間,酸性紅73降解率呈降落趨向。例如當初始濃度為10mg/L,經過20min等離子體處置,降解率可以抵達98.05%,溶液基本無顏色;將初始濃度提升50mg/L,經過同樣條件處置,降解率僅為60.98%。但是經過計算可以發現,兩種情況下AR73的絕對去除質量分別為9.8mg30.7mg,說明隨著初始濃度的提升,理論降解速率也相應增加。如圖15所示,為不同初始質量濃度情況下,降解能量效率隨時間變化曲線。AR73初始質量濃度分別為1020304050mg/L時,反響器G50能效對應為22.4830.8631.0748.7642.28g.kW-1.h-1。當污染物初始濃度增加,此時放電條件分歧,反響器內注入能量一定,放電產生的活性粒子數目一定,與污染物分子發作有效碰撞幾率增大,因此理論處置污染物質量提升,能量效率更好,隨著處置時間增長,溶液中污染物濃度降低,活性粒子與AR73分子發作碰撞概率降低,因此能量效率呈降落趨向。

 

  三、結 論

 

  (1)在常溫大氣壓條件下采用實驗室自制重頻高壓納秒脈沖電源驅動多針-網式反響器循環處置有機染料廢水,氣相介質為空氣,針尖與液面之間放電間距為30mm,循環水膜厚度5mm,循環流量3.4L/min,能夠在氣相中穩定產生較大面積均勻的電暈放電等離子體,可以有效處置廢水中有機組分,溶液脫色效果明顯。并且由于納秒脈沖電壓上升沿極短,脈寬極窄,放電時單次脈沖能量很小,因此可避免發作電弧放電和產生過多焦耳熱,具有很高的能量應用效率。

 

  (2)增大放電電壓和提升放電頻率可以提升酸性紅73的降解率。改動電壓和頻率參數本質上是改動反響器內注入能量,增大放電電壓使單次脈沖能量提升提升頻率使單位時間內放電次數增加。當放電電壓堅持44.26kV,放電頻率從50Hz提升200Hz,污染物降解率從46.87%提升83.20%;放電頻率固定為200Hz,放電電壓從30.42kV提升52.73kV,污染物降解率從14.39%提升97.15%,處置效果提升十分顯著。

 

  (3)增大能量密度有利于放電過程中活性物質的產生。不同放電電壓或不同放電頻率情況下溶液中過氧化氫濃度變化趨向與AR73的降解率變化趨向分歧。溶液中H2O2濃度最高為57.76μmol/L,由于實驗中廢水循環流速很快,水流紊動會加速溶液中H2O2合成,所以推測放電產生的過氧化氫濃度會比理論丈量值高。

 

  (4)電暈放電等離子體在處置較高濃度染料廢水時可以獲得更高的能量效率。染料初始質量濃度為10mg/L時反響器G50能效為22.48g.kW-1.h-1,改動初始濃度為40mg/L時,G50能效抵達最高為48.76g.kW-1.h-1,經過30min處置后降解率為83.53%。固然初始濃度升高,染料降解率降低,但理論降解染料質量提升幅度明顯。

 

  (5)由于放電會在氣相中產生臭氧等具有氧化性的活性物質,高壓針電極呈現銹蝕問題。實驗中針電極材質為不銹鋼,可以思索采用更耐腐蝕的材料作為高壓電極來處置電極腐蝕問題。

 


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