超声强化臭氧氧化分散蓝染料废水的研究

1、第34卷第3期2006年6月浙江工业大学学报J OURNAL OF ZH E J IAN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY收稿日期:2005209228作者简介:宋爽(1970-,男,吉林长春人,副教授,博士,主要从事环境电化学研究.超声强化臭氧氧化分散蓝染料废水的研究宋爽,金红丽,何志桥(浙江工业大学生物与环境工程学院,浙江杭州310032摘要:探讨了臭氧氧化技术处理分散蓝染料模拟废水的影响因素溶液p H 值、染料初始质量浓度和臭氧投加量等对其的影响.实验结果表明:当p H =9,初始质量浓度为100mg/L ,臭氧投加量为0.04m 3/h ,温度控制在20时处

2、理效果最佳,染料脱色率为99%,TOC 去除率为17%.对比了单独超声、超声协同臭氧氧化分散蓝染料的处理效果.研究表明单独超声对分散蓝染料几乎没有处理效果;与单纯臭氧氧化相比,超声协同臭氧氧化速度快,染料分解彻底,溶液的颜色迅速消失.最佳实验条件下,经超声强化臭氧氧化5min 后的脱色率大于99%,处理60min 后TOC 去除率为23%.关键词:超声;臭氧氧化;分散蓝染料;脱色;TOC 去除率中图分类号:X791文献标识码:A 文章编号:100624303(20060320306204Study on the ozonation of 2B L N dyes with ultrasonic

3、enhancementSON G Shuang ,J IN Hong 2li ,H E Zhi 2qiao(College of Biology and Environmental Engineering ,Zhejiang University of Technology ,Hangzhou 310032,China Abstract :The influence of t he solution P H value ,initial dye concent ration and ozone concent ra 2tion on t he ozonation of t he dispers

4、e blue 2BLN was investigated.The result s indicated t hat t he removal efficiency was optimum when t he p H value was 9,t he initial concent ration was 100mg/L and t he ozone content of 0.04m 3/h at 20.U nder t hese conditions t he decoloration rate was 99%and TOC removal was 17%.The decoloration ef

5、fect by using ult rasound alone ,t he ozona 2tion and t he ozonation wit h ult rasonic enhancement has been st udied.The decoloration of dye so 2lutions by using ultrasound alone was inefficient ,while t hat by using t he ozonation enhanced by ult rasound was more rapid t han t hat by t he ozonation

6、 alone.The decoloration rate was over 99%after 5min and TOC removal was 23%after 60min by t he ozonation wit h ult rasonic enhancement at t he optimal operation conditions.K ey w ords :ult rasound ;ozonation ;disperse bule ;decoloration ;TOC removal0引言印染行业是工业中的排污大户,所排放的废水具有数量大、有机污染物含量高、色度深和可生化性较差等特点

7、,属于难处理的工业废水1.随着化工工业的发展,染料品种增多2,并朝抗光解、抗氧化和抗生物氧化方向发展,从而使印染废水处理难度加大,也使以前投产的生化处理工程处理效率逐年下降.从化学结构上看,染料绝大多数属偶氮和蒽醌类(占染料品种总数的80%以上,并且含有各种助剂,因此它的化学稳定性使得常规生化法处理难以奏效3.分散蓝2BL N是蒽醌类染料中常用且结构具有代表性的染料,据文献报道,目前主要采用二氧化氯对其进行氧化脱色研究.ClO2可以有效地氧化染料分子中的发色团,但对染色助剂等,其氧化作用是有限的.而且ClO2氧化脱色受p H值影响较大,在酸性条件下有很好的脱色效果,而印染废水多为碱性,这是将C

8、lO2用于脱色时必须考虑的不利因素4.臭氧是一种强氧化剂,它能使高浓度难生化降解的染料的BOD5/COD增大,提高其生化性5.但因其处理成本高而难以推广利用.近来研究表明,超声能在很大程度上提高O3利用率6,7.超声辐照与O3氧化相结合产生了超声强化臭氧氧化技术,降解的有机物主要包括酚类、染料和芳香化合物等,其降解五氯酚的效果明显好于超声或O3单独使用时的效果8.与单纯O3相比,超声强化臭氧氧化偶氮染料的氧化速度更快,染料分解更彻底5.在降解染料废水的过程中,超声和O3之间具有协同效应,由此产生大量强氧化性自由基,使染料废水的颜色迅速消失9.本实验以分散蓝2BL N染料的模拟水样为研究对象,研

9、究了单独臭氧和超声强化臭氧氧化染料废水的影响因素及其降解效果,为超声协同臭氧联用技术处理实际染料废水的工艺提供有意义的尝试.1实验部分1.1实验装置臭氧化反应装置为自制.选用50mm的圆柱形玻璃容器为反应器,管长500mm,气体分布采用装有曝气头的软管伸入反应器底部.臭氧发生器用氧气为气源,通过调节氧气流量及通臭氧时间来控制臭氧流量(含O3气体的气量为30g/m3.尾气中未反应掉的臭氧被引入装有碘化钾溶液的玻璃瓶吸收.超声波频率为19.50k Hz,输入电功率为0300 W可调,超声探头直径5mm.进行超声处理时,探头插入液面下1020mm.实验所用反应器有效容积为500mL.装置图如图1所示

10、.每次开始实验时,将臭氧发生器产生的臭氧排空12min后,再通入反应器内.把染料配成一定浓度的溶液500mL,并调节所需p H值,配制水样及分析用水均为蒸馏水,加入反应器内,每隔一定时间,取样测定溶液的吸光度及TOC,分析其脱色率与TOC去除率.在实验过程中,控制臭氧、 超声和12氧气瓶;22臭氧发生器;32流量计;42三通;52超声电源;62尾气吸收瓶;72能量转换器图1实验研究装置图超声协同臭氧处理在同一温度20下进行.1.2实验仪器TOC测定仪:Hewlett2Packard Apollo9000 total organic carbon analyser吸光度测定仪:UVWIN5紫外可

11、见分光光度计(北京普析通用仪器1.3实验步骤(1水样:称取一定重量的分散蓝2BLN试剂配制而成.(2臭氧处理:将一定浓度的水样调节至所需的p H值,取500mL水样于反应器中,分别在不同O3浓度下处理不同时间后,取样测定其吸光度(分散蓝2BL N在可见光区的最大吸收波长为546nm和TOC.(3超声处理:根据(2的实验结果,在单独臭氧处理的最佳条件下,取500mL水样于反应器中,分别采用不同的超声功率处理不同时间后,取样测定其吸光度和TOC.(4超声协同臭氧处理:根据(2,3两部分的实验结果,确定单独臭氧处理的最佳条件和最佳超声功率,以500mL烧杯为反应器,分别进行单独臭氧和超声协同臭氧处理

12、60min,取样测定其吸光度和TOC.2实验结果与讨论2.1臭氧处理的结果2.1.1臭氧投加量对反应的影响由图2可见,臭氧氧化对分散蓝染料可达较高的脱色率,但TOC去除率相对较低,而且脱色率> TOC去除率.表明反应只是把染料氧化为小分子有机物,并未完全矿化为CO2和水.这说明反应是先打断染料分子的发色基团,使染料脱色,然后进行开环反应,使染料分子逐步矿化.染料(初始p H=7,质量浓度为100mg/L在臭氧含量较低时(气速为73第3期宋爽,等:超声强化臭氧氧化分散蓝染料废水的研究0.02m 3/h ,脱色时间较长;但气速过大时(0.06m 3/h ,处理效果没有明显增加,说明臭氧在溶液

13、中 .图2臭氧投加量对脱色率和TOC 去除率的影响2.1.2染料初始质量浓度对反应的影响由图3可见,染料溶液的脱色率和TOC 去除率均随反应时间的延长而明显提高.染料(p H 7初始质量浓度越低,脱色速率越快.当脱色率达100%时,100mg/L 的染料溶液需3min ,300mg/L 的染料溶液需15min ,500mg/L 的染料溶液需25min.初始质量浓度越低,TOC 相对去除率越高,但TOC 绝对去除率随初始质量浓度的降低而降低.即染料初始质量浓度越高,臭氧利用率越高.因此,在处理高浓度的实际染料废水时,不能单纯追求TOC 去除率,而应把臭氧投加量控制在一个合适的范围内 .图3初始质

14、量浓度对脱色率和TOC 去除率的影响2.1.3染料初始p H 值对反应的影响染料初始p H 值对脱色率和TOC 去除率的影响见图4.由图可知,在同样时间条件下,染料(初始质量浓度为100mg/L 的脱色率及TOC 去除率均随p H 增大而增大.这主要是因为在p H 较低时,臭氧以直接反应占优势;在p H 较高时,臭氧可被催化产生一种氧化能力极强的活性基团O H 自由基,它在氧化污染物时无选择性,可引发链反应,直接将有机物矿化 .图4p H 对脱色率和TOC 去除率的影响2.2超声处理的结果在染料初始质量浓度为100mg/L ,p H =7,臭氧流量为0.04m 3/h 的单独臭氧处理最佳实验条

15、件下,采用不同超声功率对染料进行降解处理.实验结果表明,在同一反应时间下,随着超声功率的增大,染料脱色率和TOC 去除率均随之增加.当超声功率大于264W 时,这种变化趋势明显降低.脱色率最高为12%,TOC 去除率最高为4%,可以认为单独超声对分散蓝染料几乎没有处理效果.2.3超声强化臭氧氧化处理的结果由图5可知,与单纯臭氧相比,超声协同臭氧氧化速度快,TOC 去除率提高,染料分解较彻底.在相同条件下,染料完全脱色,单独臭氧处理需10min ,超声协同臭氧需5min.经超声强化臭氧氧化处理60min 后,染料的TOC 去除率提高了7 %.图5超声强化臭氧氧化对脱色率和TOC 去除率的影响2.

16、4超声强化臭氧氧化的机理O 3是一种很不稳定的氧化剂,在超声作用下其803浙江工业大学学报第34卷分解速率很快.概括目前研究结果,超声强化臭氧技术理论主要包括两个方面:(1超声的分散作用.超声波可将含O3的气泡粉碎成“微气泡”,其总表面积比一般气泡高103104倍,使O3与水接触面积骤增,利用率得到提高,从而加快了染料的降解;(2超声空化效应.超声空化效应产生局域高温高压条件,促使空化泡中的O3直接快速的分解,产生氧化性极强的自由基,并随空化泡崩溃的冲击波进入水体,使水中污染污迅速降解10.大量研究表明,超声空化独特的物理化学环境,可开辟新的化学反应途径,聚增化学反应速度,对有机物有很强的降解

17、能力.O3在超声辐照下不稳定,进行以下3个反应11:O3ultrasonicO+O2O+H2O2O HO H+O HH2O2在超声作用下,O3受空化效应产生的高能作用而迅速分解,产生大量O,O H,H2O2等强氧化性物质.超声不仅使该体系有利于H2O2产生,而且使整个溶液中和空化泡的气液界面上O H浓度变大.超声空化效应促使O3分解产物由常温常压下氧化性较弱的O2转化成氧化性极强的H2O2,使得染料降解的效果更好.3结论臭氧氧化对分散蓝染料废水的处理情况为:脱色率大于TOC去除率.增大气流量会提高降解速率,当O3在液相已达饱和时则不再有明显的处理效果;初始质量浓度越低,脱色率和TOC相对去除率

18、越高,但TOC绝对去除率随初始质量浓度的降低而降低,即染料初始质量浓度越高,臭氧利用率越高;p H对染料溶液处理效果影响较大,碱性条件有利于有机物的矿化;单独使用超声对分散蓝染料几乎没有处理效果,但超声对O3氧化具有明显的强化作用.在最佳实验条件下,超声协同臭氧氧化5 min后分散蓝2BL N的脱色率大于99%,处理60 min后TOC去除率为23%.参考文献:1张志峰,何晨燕.印染废水的回用现状和技术发展J.北方环境,2003,28(4:50251.2ZHAO W R,SHI H X,WAN G D H.Ozonation of cationicred X2GRL in aqueous solution:degradation and mechanism J.Chemosphere,2004,57:118921199.J.化工环保,2004,(24:20222.J.环境科学学报,2001,21:1102114.5费庆志,许芝.臭氧氧化降解含染料废水的研究J.环境污染治理技术与设备,2003,4(6:24226.效能J.中国给水排水,1999,15(11:124.7TERESE M O,P HIL IPPE F B.Oxidation kinetics of nat uralorganic matter by sonolysis and ozone