低溫等離子體凈化苯甲酸廢水研究

榮俊鋒，李泰廣，史同上，談德偉，何媛，陳金缽，張創(chuàng)

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

含苯甲酸廢水直接排出會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大威脅[1]。苯甲酸降解主要采用吸附法和生物法，吸附法處理能力不大[2]；生物法菌種獲取困難，培養(yǎng)周期長(zhǎng)[3]。因此，該類(lèi)廢水處理難度較大。

低溫等離子體技術(shù)兼具高能電子輻射、O3氧化和紫外光解3種效能，通過(guò)放電產(chǎn)生活性粒子，攻擊有機(jī)物發(fā)生系列反應(yīng)，使其變?yōu)樾》肿樱M(jìn)而降解為CO2和H2O，在水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。介質(zhì)阻擋放電、電暈放電、輝光放電等都能產(chǎn)生低溫等離子體，其中介質(zhì)阻擋放電穩(wěn)定、電子密度高、能量強(qiáng)是近年來(lái)廢水治理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-8]。

本文采用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體的方法凈化苯甲酸廢水。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

苯甲酸、氫氧化鈉、鹽酸、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硫酸銀均為分析純。

等離子體水處理反應(yīng)器，自制(反應(yīng)器殼體為圓筒形有機(jī)玻璃，內(nèi)徑90 mm，壁厚6 mm，高200 mm。反應(yīng)器頂部開(kāi)三個(gè)孔，中心孔孔徑3 mm，插入正極銅針電極，銅針長(zhǎng)250 mm，直徑3 mm，一端磨尖用于放電；左孔為壓縮空氣曝入孔，孔徑5 mm，曝入的壓縮空氣既能為反應(yīng)體系提供溶解氧，又能起到攪拌效果；右孔孔徑15 mm，接回流冷凝器回收蒸發(fā)的水分。底部鋁板網(wǎng)(直徑80 mm，厚1.2 mm)固定于反應(yīng)器外側(cè)，作為負(fù)極)；TDGC2接觸調(diào)壓器；DD862集成式(功率、電壓、電流)數(shù)顯儀表；P096652C等離子體電源；DF-II數(shù)顯集熱式磁力攪拌器；P6015A高壓探頭；TDSl0128B數(shù)字式示波器；PTF-A電子天平；DZ-3030B空氣壓縮機(jī)；HCA-100標(biāo)準(zhǔn)COD消解器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按圖1連接各實(shí)驗(yàn)裝置部件[9-10]，取200 mL濃度1.5 g/L模擬苯甲酸廢水置于反應(yīng)器內(nèi)，接通等離子體電源，打開(kāi)回流裝置，調(diào)節(jié)接觸調(diào)壓器，進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，在正、負(fù)極之間，絕緣有機(jī)玻璃和苯甲酸廢水充當(dāng)放電介質(zhì)，形成介質(zhì)阻擋放電，產(chǎn)生具有高能活性的低溫等離子體降解廢水中的苯甲酸。對(duì)放電電壓、放電時(shí)間、苯甲酸廢水濃度、pH值等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在不同反應(yīng)條件下取樣，采用重鉻酸鉀法(HJ 828—2017)測(cè)定溶液COD值，計(jì)算COD降解率。

其中，COD0為苯甲酸廢水初始COD值，COD為凈化后苯甲酸廢水COD值。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

1.交流電源；2.調(diào)壓器；3.集成數(shù)顯儀表；4.等離子體電源；5.壓縮空氣曝入口；6.回流冷凝器；7.針板式DBD反應(yīng)器；8.磁力攪拌器；9.高壓探頭；10.數(shù)字示波器

2 結(jié)果與討論

2.1 苯甲酸溶液濃度對(duì)COD降解率的影響

調(diào)整放電電壓400 kV、放電間距5 mm，分別對(duì)濃度為0.1，0.5，1.0，1.5，2.0 g/L苯甲酸溶液200 mL 放電處理2.0 h。計(jì)算COD降解率，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 苯甲酸濃度對(duì)COD降解率影響

由表1可知，模擬苯甲酸溶液濃度選擇1.5 g/L時(shí)，COD降解率最高。

2.2 放電時(shí)間對(duì)苯甲酸溶液COD降解率的影響

調(diào)整放電電壓400 kV、放電間距5 mm，濃度1.5 g/L 苯甲酸溶液200 mL，放電時(shí)間對(duì)COD降解率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 放電時(shí)間對(duì)苯甲酸溶液COD降解率的影響Fig.2 Effect of discharge time on the degradation rate of COD in benzoic acid solution

由圖2可知，隨著放電時(shí)間延長(zhǎng)，COD降解率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，>2.0 h時(shí)，上升幅度減小。可知放電時(shí)間2 h，苯甲酸廢水處理效果較好。

2.3 放電電壓對(duì)苯甲酸溶液COD降解率的影響

調(diào)整放電間距5 mm，對(duì)濃度為1.5 g/L苯甲酸溶液200 mL在電壓400，450，500 kV條件下放電2.0 h，放電電壓對(duì)苯甲酸溶液COD 降解率影響見(jiàn)表2。

表2 放電電壓對(duì)苯甲酸溶液COD降解率的影響

由表2可知，放電電壓在400 kV時(shí)不易被氧化和發(fā)生電壓擊穿[11-12]，處理效果相對(duì)較好。在放電過(guò)程中，電功率主要有以下幾個(gè)方面的消耗：產(chǎn)生等離子體、電路設(shè)備的功率消耗以及水樣水溫和放電反應(yīng)器溫度的上升[13-15]。所以電壓的升高會(huì)提升單位空間等離子體的密度和活性，提高COD降解率，同時(shí)電路設(shè)備和反應(yīng)器的消耗也會(huì)相應(yīng)增加。綜合考慮，電壓400 kV時(shí)處理效果較好。

2.4 pH對(duì)苯甲酸溶液COD降解率的影響

放電電壓400 kV、放電間距5 mm條件下，濃度1.5 g/L苯甲酸溶液取200 mL，調(diào)節(jié)pH，然后放電 2.0 h。分析苯甲酸溶液COD值，并計(jì)算COD降解率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，pH為1時(shí)處理效果最差，這是因?yàn)樗嵝詶l件下苯甲酸不易被降解；pH為7時(shí)，COD降解率最高；在pH為8時(shí)，弱堿環(huán)境下苯甲酸性質(zhì)較為穩(wěn)定，不易被降解；在弱酸性環(huán)境下，苯甲酸性質(zhì)相對(duì)不穩(wěn)定，降解效果較好。

圖3 pH對(duì)苯甲酸溶液COD降解率的影響Fig.3 Effect of pH on the degradation rate of COD in benzoic acid solution

2.5 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以苯甲酸溶液濃度、通電電壓、放電反應(yīng)時(shí)間、苯甲酸溶液pH值為因素，各取3個(gè)水平，COD降解率為指標(biāo)，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。因素與水平見(jiàn)表3，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表4 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，影響苯甲酸溶液COD降解率因素主次順序?yàn)椋罕郊姿崛芤簆H值>苯甲酸溶液濃度>放電時(shí)間>放電電壓。優(yōu)方案為A3B3C1D2，即苯甲酸溶液濃度1.5 g/L，溶液pH值6，放電電壓410 kV，放電時(shí)間2.0 h。做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，COD的降解率達(dá)到65.59%，所以處理苯甲酸廢水的最優(yōu)條件為：苯甲酸溶液濃度1.5 g/L，溶液pH值6，放電電壓410 kV，放電時(shí)間2.0 h。如將該方法和傳統(tǒng)Fenton氧化法以及絮凝劑相結(jié)合可能達(dá)到更好的凈化效果。

3 結(jié)論

低溫等離子體處理苯甲酸廢水的最佳條件為：放電電壓410 kV，放電時(shí)間2.0 h，苯甲酸溶液濃度1.5 g/L，溶液pH值為6。在此條件下，COD的降解率達(dá)到65.59%。