超声协同次氯酸钠氧化法处理模拟对硝基苯酚废水的试验研究

1、超声协同次氯酸钠氧化法处理模拟对硝基苯酚废水 的试验研究刘艳,孙丽华,鲁秀国华东交通大学土木建筑学院,南昌 (330013E-mail :摘 要:本文研究了单纯次氯酸钠氧化和超声协同次氯酸钠氧化对模拟对硝基苯酚废水的处 理效果 , 单纯次氯酸钠的氧化实验表明 , 对于 20mL 模拟废水 (20mg/L对硝基苯酚 , 1mL 氧化 剂 (0.3%次氯酸钠 , pH 值 6.0,室温条件下反应 30min ,对硝基苯酚去除率可以达到 92.67%; 超声协同作用, 去除率可以达到 96.12%, 处理后对硝基苯酚浓度为 0.81mg/L, 可以达到综合 污水排放标准三级标准。关键词:超声协同;次

2、氯酸钠氧化;对硝基苯酚1. 前言含酚废水是一种来源广、水量大、危害十分严重的工业废水之一。酚类化合物是一种 原型质毒物, 对一切生物个体都有毒害作用。 它可以通过皮肤及黏膜的接触的吸入或经口腔 浸入生物体内, 与细胞原浆中的蛋白质接触后形成不溶性蛋白质而使细胞失去活性, 尤其对 神经系统有较大的亲和力, 使神经系统发生病变。 另外, 高浓度的酚还可以引发神经系统病 变 1-3。对硝基苯酚属于有毒有机物, 本文利用超声协同次氯酸钠氧化法对模拟对硝基苯酚废水 进行了处理,提出了最佳实验参数 , 并从理论上进行了初步分析。2. 实验部分2.1 仪器与试剂2.1.1 仪器 753BI 型微机型紫外可见

3、分光光度计、 KQ5200B 型超声波清洗器、 HHS21-8 型 电热恒温水浴锅、 85-1 型恒温磁力搅拌器以及常规玻璃仪器等。2.1.2 试剂对硝基苯酚、次氯酸钠、 盐酸、氢氧化钠(均为分析纯2.2 实验步骤2.2.1 模拟废水的配制 利用对硝基苯酚配制模拟废水,浓度为 20mg/L。2.2.3 实验步骤(一 次氯酸钠单独氧化实验一定量的模拟废水, 然后加入一定量的次氯酸钠溶液 (质量浓度 0.3%,以下相同 , 调节 pH 值,反应一定时间后,测定吸光度,计算其去除率,此实验需要考察氧化剂的 用量、 pH 值、反应时间以及反应温度对实验结果的影响。(二 超声协同次氯酸钠作用实验进行完单

4、纯次氯酸钠氧化法对模拟废水的处理实验后,再考察超声协同次氯酸钠 的处理效果,首先,其它条件均采用最佳参数,调整超声波处理时间,反应一定时间- 1 - 2 - 后,测其吸光度,计算去除率;然后确定超声作用时间,氧化剂的用量。比较两组实验对于对硝基苯酚的处理效果,比较超声协同的优点和缺点,能否有效的去除对硝基苯酚。2.3 废水处理效果表征分析本文中废水处理效果以测定对硝基苯酚的吸光度然后间接计算其去除率来表征其处理效 果。2.3.1 去除率的计算 本文以吸光度来计算对硝基苯酚的去除率。对硝基苯酚的去除率 =(1-A/A0 *100%A 处理后模拟废水的吸光度 A 0 处理前模拟废水的吸光度3. 结

5、果与讨论3.1 模拟废水的指标模拟废水用分析纯对硝基苯酚配制,处理前模拟废水中对硝基苯酚的质量浓度为 20mg/L,测得最大吸收波长为 320nm ,吸光度为 1.105 , pH 值为 7。3.2 单纯次氯酸钠氧化实验的各种影响因素3.2.1 氧化剂用量的选择 5份 20mL 模拟废水 , 调整各水样的 pH 值至 6.0, 分别加入 0.4mL 、 0.6mL 、 0.8mL 、 1.0mL 、 1.2mL 氧化剂(0.3%的次氯酸钠,以下相同,反应 30min 后,测 定各水样的吸光度,并计算去除率。其结果见图 1所示。 40506070809010000.511.5氧化剂用量/ml去

6、除 率 /%020406080100120051015pH值 去 除 率 /%图 1氧化剂用量的选择 图 2. 反应溶液 pH 值的选择Fig1.The selection of oxidizer dosage Fig2.The selection of the pH in solution由图 1可以明显看出,随着氧化剂用量的增加,对硝基苯酚的去除率也逐渐增加,这 说明次氯酸钠的强氧化作用随着量的增大而逐渐增强, 将大分子的有机物氧化分解。 但是当 氧化剂的量达到 1mL 以后, 对硝基苯酚的去除率增加得较为缓慢, 原因可能是有少量的中间 产物较难被氧化,即使增加氧化剂的用量,效果也不明显。

7、 - 3 -综合分析,对于 20mL 的模拟废水,氧化剂的用量为 1mL 比较合适。3.2.2 反应溶液 PH 值的选择 5份 20mL 模拟废水,各加入 1mL 次氯酸钠溶液, 调整各水样的 PH 值至 2.0、 4.0、 6.0、 8.0、 10.0,反应 30min ,然后测各水样的吸光度,计算去除率。结果 见图 2所示。由图 2可以看出:反应溶液的酸性越强,对硝基苯酚的去除率越高,碱性条件下,效果 不佳。原因是在碱性条件下,次氯酸钠主要以 ClO 形式存在, ClO 的氧化能力较弱,而且 废水中的对硝基苯酚的结构发生了变化, 不利于被氧化。 而在酸性条件下, 次氯酸钠主要以 HOCl

8、形式存在, HOCl 与 ClO 的标准电极电势差为 1.209V , 所以 HOCl 的氧化能力较强, 而 且废水中的对硝基苯酚的结构没有发生变化, 有利于被氧化。 虽然酸性越强, 对硝基苯酚的 去除率越大,但是如果出水呈酸性,对于环境也是一种污染,对环境同样造成危害,所以酸 水不能直接排放。综合分析,为了不使处理后的水呈酸性,同时又达到比较好的处理效果, 反应溶液的 pH 值为 6.0即可满足要求。3.2.3 反应时间的选择 100mL模拟废水, 加入 0.3%次氯酸钠 5mL , 调整 pH 值至 6.0每隔一定 时间,测一次水样的吸光度,计算去除率。结果见图 3所示。 由图 3可以看出

9、:随着反应时间的增长,对硝基苯酚的去除率逐渐增加,尤其在 2025min 时,去除率增长得特别快,但是在 30min 以后,去除率增长不太明显,半个小时内, 去除率只增长了 1.08%.这是因为废水中有机物被氧化的过程中, 生成了系列中间产物, 有少 许中间产物在本实验条件下非常难于被氧化, 即使增加反应时间, 该部分有机物也不可能被 氧化.因此,本实验的反应时间为 30min 即可满足要求。3.2.4 反应温度的选择 改变反应温度对处理结果的影响见图 4所示。由图 4可以看出:随着温度的升高,对硝基苯酚的去除率增加的极为缓慢,基本上处 于持平的状态。 而且随着温度的升高, 对硝基苯酚有一定的

10、挥发, 所以去除率虽然有一定的 增加, 但是不一定是温度的升高使次氯酸钠的氧化性增强, 有可能是挥发了一小部分。 对硝 基苯酚属于有毒有机物, 挥发出的气体对人体健康有一定的伤害, 尤其是对于呼吸系统。 鉴 于温度对去除率的影响不大, 而且挥发出的气体有毒, 所以, 实验的温度定为室温即可满足 要求。 808284868890929496020406080反应时间 /min去 除 率 / %80859095100020406080温度 去 除 率 /%图 3 反应时间的选择 图 4. 反应温度的选择Fig3.The selection of reaction time Fig4.The sel

11、ection of environmental temperature- 4 - 3.3 超声协同次氯酸钠氧化实验的影响因素3.3.1 超声协同次氯酸钠氧化法的降解机理 超声协同次氯酸钠氧化作用的机理尚不十分清 楚,但是一般体现在两方面:一是使次氯酸钠能够分解产生 HClO ,使其氧化性增强:另一 方面是次氯酸钠气泡粉碎成 “ 微气泡 ” , 增加与水的接触面积, 并且增加水的混合程度和紊乱 程度,减少阻力。具体的反应类型要检测中间产物才能确定,由于仪器设备等问题,没有做 到这部分, 所以还不能确定具体的反应类型, 只能考察超声作用是否能对硝基苯酚的去除起到一定的强化作用以及能否和次氯酸钠结合

12、使用作为一种新的技术, 在实际中得到应用 4-6。3.3.2 超声作用时间对实验的影响 100mL模拟废水,加入次氯酸钠 5mL ,调整 pH 值至 6.0, 在超声波器中,分别反应 5min,10min,15min,20min,25min,30min 反应后,测各水样的吸光度, 计算其去除率,结果见图 5所示。由图 5可以看出:超声波的作用确实使去除率有一定的增加,随着超声作用时间的增加, 对硝基苯酚的去除率逐渐增加,在超声协同作用 5min 时即达到次氯酸钠单纯作用 30min 所能 达到的效果, 可见超声波和次氯酸钠的结合使用, 使对硝基苯酚在很短的时间内就达到了较 好的去除。所以超声作

13、用的时间选择 5min 即可满足要求。3.3.3 超声作用下氧化剂用量对实验的影响 5份 100mL 模拟废水,分别加入1mL,2mL,3mL,4mL,5mlL 次氯酸钠,调整 pH 值至 6.0,在超声波中反应 10min ,测定并计算对 硝基苯酚的去除率,结果见图 6所示。 9293949596979899100010203040超声作用时间 /min去 除 率 /%89909192939495960246氧化剂用量/ml去 除 率 /%图 5超声作用时间的选择 图 6. 超声作用下氧化剂的用量Fig5.The selection of ultrasonic reaction time F

14、ig6. The oxidizer dosage under ultrasonic enhancement由图 6可以看出:次氯酸钠的投加量对于超声协同次氯酸钠氧化系统处理对硝基苯酚有一定 的影响, 随着氧化剂量的增加, 去除率也逐渐增加。 由于我们实验所用的超声清洗槽式反应 器,声强比较小,协同作用不是很明显,但是在超声协同次氯酸钠作用下 10min ,加入次氯 酸钠 2mL ,即可达到单纯次氯酸钠氧化 30min 时,加入次氯酸钠 5ml 所能达到的去除率。由 3.3.2和 3.3.3可以看出:超声协同次氯酸钠氧化法处理对硝基苯酚比单纯次氯酸钠氧 化的效果有一定的提高, 主要体现在两方面:

15、一是可以在相同的氧化剂用量下, 达到一定的 去除率所用的时间更短; 另一方面是在相同的时间下, 达到一定的去除率所用的氧化剂更少。 但是由于没做中间产物的检测,所以还不能确定超声波和次氯酸钠协同作用的反应类型。 4. 结论与建议4.1 结论(1 在单纯次氯酸钠氧化系统中,通过影响因素的考察可知:增加氧化剂的用量,可以 提高对硝基苯酚的去除率;酸性越强,对硝基苯酚的去除率越高,而在碱性条件下, 对硝基苯酚不能得到有效的去除; 反应时间增加, 对硝基苯酚的去除率也随着增加; 反应环境的温度对对硝基苯酚的去除影响不大。(2 通过考察各因素得出单纯次氯酸钠作用是的最佳处理参数:对于 20mL 模拟废水

16、 (20mg/L对硝基苯酚 ,加入 1mL 氧化剂 (0.3%次氯酸钠 ,在 pH 值 6.0,室温条件下反 应 30min , 对硝基苯酚去除率可以达到 92.67%; 加入超声强化作用, 去除率可以达到 96.12%, 处理后对硝基苯酚浓度为 0.81mg/L, 可以达到综合污水排放标准三级标准。 (3 超声协同次氯酸钠氧化的效果比单纯次氯酸钠氧化的效果要好很多,主要体现在两 个方面:一方面是相同条件下,达到一定的去除率,处理时间更短;另一方面是在 较短的时间下,达到一定的去除率所用的氧化剂更少(4 超声协同次氯酸钠氧化法可以作为一种新的方法, 可提高对硝基苯酚废水的去除率, 可以用于该废

17、水的深度处理。4.2 存在的问题及建议(1 本 实验对配置的单一污染物进行了间歇操作,没有涉及多种污染物并存的混合水样 以及连续操作,因此,为了使其尽快在工业上得以应用,需对实际水样进行连续化处 理,找出适用范围以及最佳操作条件。(2 由 于本实验所用的是超声清洗槽式反应器,声强还较小,应该考虑增强超声作用, 使超声协同次氯酸钠系统效果更加明显。(3 本 次实验没有检测中间产物,所以不能确定具体的反应类型,也无法得出反应机理 以及动力学理论。这也是以后需要研究的问题。参考文献1 张锦、李圭白、马军,含酚废水的危害及处理方法的应用特点,化学工程师, 20012 杨旭,液膜萃取法处理炼油厂含酚废水

18、 J,有离子西南石油学院学报, 1996, 18(3 :112116 3 杨润昌,芬顿试剂加硫酸处理高浓度含酚废水的研究 J,石油化工环境保护, 1997, (2 :1821 4 蒋建华、许春建、周明,超声降解水体中有机污染物的研究进展 J,化工进展, 2001,(2:11-145 肖小明、李洪青、邹华生,超声波降解有机污染物的研究与发展,环境科学与技术, 2003,12(26 6 刘刚、梅教宗、刘发强等,超声波技术在废水处理中的应用研究 J,化工科技, 2000,8(5:55-59 - 5 - Decomposition of p-nitrophenol in simulate Wastewater by NaClO with ultrasonic enhancement Liu Yan，Sun Lihua，Lu Xiuguo East china jiaotong university civil engineer school，Nanchang（330013） Abstract This paper work over the treatment of the simulate p-nitrophenol wastewater