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超声波协同Fenton氧化法去除COD

发布时间:2018-5-10 17:16:38  中国污水处理工程网

  1实验材料与方法

  1.1废水水质某造纸法再造烟叶企业在线产生的废水经过生化处理后二沉池出水,pH为6.5,COD为(490±20)mg/L。

  1.2实验主要试剂及仪器30%H2O2(AR,西陇化工股份有限公司),FeSO4·7H2O(AR,西陇化工股份有限公司),PAM(某企业提供)。超声波仪(KQ-400KDE型)。

  1.3实验方法取废水于烧杯中,加入一定量的FeSO4溶液,再加入一定量H2O2,反应一段时间,静置后取清液测定COD,计算COD去除率。COD采用重铬酸钾法测定(GB11914-l989)。同一实验条件下,分别采用单独Fenton法处理、单独超声波处理和超声波联合Fenton法处理,比较其处理效果差异。同时,研究反应时间、H2O2用量和FeSO4用量对废水COD去除效果的影响,得到最佳的处理条件。在最佳处理条件下,再添加PAM进行絮凝沉降的后续处理,检测最终出水的COD是否满足国家一级排放标准。

  2结果与讨论

  2.1反应时间对COD去除率的影响在相同实验条件下,改变反应时间研究3种处理方式对COD去除率的影响,结果如图1所示。

 

  单独采用Fenton法时,反应在30min前,COD去除率随着反应时间增加而呈线性提高;反应在30min之后COD去除率基本保持恒定。说明在单独采用Fenton法搅拌反应时间不少于30min。单独采用超声波时,COD去除率随时间增加有所提高但变化率较小,说明超声波对废水水样COD虽然有一定程度去除作用,但效果不明显。采用超声波联合Fenton法,COD去除率随着反应时间增加先急剧提高而后缓慢变化,其变化规律与单独采用Fenton法基本一致,并且反应在20min时,就能优于单独Fenton法30min时的COD去除效果。说明超声波作用能减少Fenton法反应时间且能达到较高的去除效率。这是由于在超声波作用下,产生的空化气泡在破裂崩溃时伴有强烈的冲击和微射流,造成局部剧烈的湍动,从而加强了均相和非均相体系的传质速率,使反应体系中的·OH能够及时与废水中的有机污染物分子发生反应,提高了H2O2的利用率和反应速率;空化气泡在最后溃陷阶段,会产生局部高温、高压现象,形成局部热点效应,并伴随强大冲击波、高速微射流、自由基的产生,自由基可将废水中的有机污染物分解为小分子物质。以上因素都使得COD去除率在相对短时间内得以提高。另外,采用超声波联合Fenton法对COD去除效果整体优于单独采用Fenton法或单独采用超声波处理,COD去除率高于两者的简单加合。说明超声波联合Fenton法处理废水水样过程中,超声波既有一定协同去除COD的能力,又有强化Fenton试剂反应的作用。

  2.2H2O2用量对COD去除率的影响在相同实验条件下,反应时间30min,固定Fe2+用量不变,只改变H2O2用量研究3种处理方式对COD去除率的影响,结果如图2所示。

 

  实验用废水CODCr值约为490mg/L,所以H2O2的理论用量为30.625mmol/L。根据H2O2的理论用量,拟以H2O2和Fe2+用量摩尔比为51得到Fe2+的实验用量为6.125mmol/L的固定用量。单独采用Fenton法,当H2O2用量为36.75mmol/L时,COD去除率达到最大为66.18%。H2O2用量较低时,COD去除率随着H2O2用量增加而提高,是因为Fenton氧化作用主要通过H2O2在Fe2+的催化作用下产生·OH来去除有机物,此时COD去除率主要受到反应体系中·OH产生量的控制,H2O2用量的增加能够显著提高COD去除率。而后继续增加H2O2的用量时,COD去除率又逐渐下降。反应体系中过量的H2O2容易被·OH氧化,导致H2O2自身的无效分解,降低H2O2的利用率;同时,体系中剩余的H2O2还会对COD的测定产生一定干扰,都表现为COD去除率降低。单独采用超声波处理,不加入Fe2+,只加入H2O2并改变其用量,COD去除率随H2O2用量增加先提高后降低。超声波的空化作用能够产生·OH,同时促进H2O2自身的氧化作用,但总体对COD去除效果有限。联合超声波使用Fenton法,H2O2用量对COD去除率影响的变化规律与单独采用Fenton法相似,同样地先提高后降低。当H2O2用量为24.5、30.625和36.75mmol/L时,COD去除率分别为75.33%、76.99%和76.57%,COD去除效果差异相对较小。H2O2用量在此区间内,由于超声波的作用使反应体系中保持定量浓度的·OH来氧化分解废水中的有机物,从而导致COD去除率基本保持稳定。另外,COD去除率达到最大时相对于单独采用Fenton法H2O2最佳用量有所降低。超声波协同Fenton反应,不但提高了COD去除率,降低了H2O2最佳值的用量,而且扩宽了H2O2最佳用量的选取范围(此范围内COD去除率基本不变)。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  2.3Fe2+用量对COD去除率的影响在相同实验条件下,反应时间30min,固定H2O2用量(36.75mmol/L)不变,只改变Fe2+用量研究3种处理方式对COD去除率的影响,结果如图3所示。

 

  单独采用Fenton法,在Fe2+用量为6.125mmol/L时,COD去除率达到最大值为66.18%。当Fe2+用量较低时,反应体系中催化H2O2产生的·OH量也较少且速度较慢,降解废水中的有机物能力有限,表现为COD去除率较低;随着Fe2+用量增加,催化作用加强,体系中生成·OH的数量也不断增加,COD去除率便随之提高;继续再增加Fe2+用量,会使H2O2快速分解产生大量的·OH,容易引起副反应,从而造成·OH损耗,降低了H2O2的利用率,并且体系中过量的Fe2+会影响COD的测定结果(Fe2+易被K2Cr2O7氧化),因此Fe2+的过量使用,表现为COD去除率显著降低。单独采用超声波处理,不加入H2O2,只加入Fe2+并改变其用量,COD去除率随Fe2+用量增加而逐渐降低并出现负值。在此实验条件下,体系中存在Fe2+成为COD的测定的主要影响因素,Fe2+会增加COD测定值,加入量高时甚至导致COD去除率出现负值。联合超声波使用Fenton法,增加Fe2+用量对COD去除率影响的变化规律表现为先提高后降低。在Fe2+用量为4.6、6.125和9.2mmol/L时,COD去除率分别为76.82%、76.59%和74.22%,在图3中对应曲线呈现平台状,同样地扩宽了Fe2+用量的选取范围。超声波空化作用破坏了Fe2+与H2O2反应生成的中间产物Fe-O2H+2,产生Fe2+继续和H2O2反应,提高了Fenton链反应的效率,增加体系中·OH浓度,从而提高了COD去除率;同时稳定反应环境,能在一定Fe2+浓度用量范围内保持相对持续稳定的COD去除率。

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