無極光催化臭氧氧化降解塑化劑廢水工藝與裝置作品說明設計者：賈賀，常艦，周緣緣指導教師：王利平，王少莽(環(huán)境與安全工程學院)摘要：針對塑化劑有機廢水致畸和致突變的潛在危害性，本項目提出利用自制陶粒為催化劑載體，通過無極光催化臭氧氧化降解塑化劑有機廢水，設計出完整工藝，并形成裝置。在此基礎上深入分析光強、臭氧濃度、離子等多種因素對于該降解過程的影響，并探討其降解機理。關鍵字：DOP有機廢水無極光催化臭氧粉煤灰陶粒作品內容簡介隨著化工、染料、醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展，高濃度難生化降解廢水越來越多。目前O/HO,UV/HO,UV/TiO以及多相催化臭氧化的應用更為廣泛，光催322' 22' 2化-臭氧聯(lián)用技術在有機廢水治理方面顯示了廣闊的應用前景。鄰苯二甲酸二辛酯(dioctylphthalate，DOP)，隸屬于鄰苯二甲酸酯類化合物(簡稱PAEs)，是目前產量及消費量最大的一種通用型增塑劑。本研究基于自制的金屬氧化物催化劑，以自制陶粒為催化劑載體，探討無極光催化臭氧氧化(O3/TiO2/UV)工藝降解塑化劑有機廢水的工藝，并制作實物裝置，解決高濃度有機廢水難降解問題。該裝置上方為無極光催化的反應器，包括微波發(fā)生器、無極燈管、排熱扇。下方為放置塑化劑有機廢水的玻璃容器。該玻璃容器為雙層，外層通循環(huán)冷卻水。臭氧通過外加導管插入有機廢水中。裝置上下層通過中間的固定板固定。利用粉煤灰制備陶粒。粉煤灰陶粒產品比表面積大，吸附性能良好，可用于水處理。將TiO2，鐵和錳作為催化劑的活性組分，將其負載至陶粒上，制備出一種新型的用于無極光催化臭氧的復合材料，并將其置于有機廢水中做固體催化劑。在此基礎上深入分析光強、臭氧濃度、離子等多種因素對于該降解過程的影響，并探討其降解機理。利用設計出的這一套無極光催化臭氧氧化降解塑化劑有機廢水的裝置，團隊成員進行大量實驗，得出數據。并用DesignExpert軟件建立的響應面數學模型，優(yōu)化無極光催化臭氧氧化實驗，確定實驗最佳分案，設計出完整裝置并為實際應用提供依據。1實驗部分1.1原料及原水質本實驗以粉煤灰為主要原料，添加粘土和硅酸鈉為輔料燒制陶粒。實驗所用的粉煤灰為常州市某發(fā)電廠產生的細灰，粉煤灰中SiO2含量較高，同時含有AlO和FeO。23 23鄰苯二甲酸二辛酯（DOP），是目前產量及消費量最大的一種通用型增塑劑，也是環(huán)境污染物潛在的主要來源之一。原水水質采用模擬DOP廢水：取0.1ml鄰苯二甲酸二辛脂溶于100ml無水乙醇中，水質指標COD為1000~1200mg/L。1.2試驗裝置將粉煤灰、粘土和一定量的硅酸鈉由不同比例混合，人工制成5~12mm的料球，然后將制成的料球放入烘箱中干燥2h，隨后進入高溫階段進行焙燒，最后冷卻至室溫制得陶粒。選取合適的催化劑活性組分鐵錳及TiO2負載于陶粒，運用無極光催化臭氧氧化法降解塑化劑DOP有機廢水。以COD為指標，考察無機光強度、臭氧流量、催化劑投加量、pH和反應時間等影響因素，開展多相催化臭氧氧化降解塑化劑DOP有機污染物的研究。2.結果與討論2.1負載比的確定本實驗催化劑采用浸漬法制備。把載體放到活性組分的可溶性鹽溶液中浸漬后加熱使之干燥，再分解硫酸鹽，催化劑組分就沉積在載體的外表面以及載體的內表面。此階段主要考察不同鐵錳比對DOP廢水COD去除率的影響。706070605040302010 20 30 40 50 60時間(min)圖1不同鐵錳比對COD去除率的影響由圖1可知，隨著時間的增加，不同鐵錳比對COD的去除率逐漸增加，顯然當Fe：Mn為1:2時，污染物的去除效果最高。2.1不同光強的影響1.201.000.80率余0.60剩0.400.200.00不同光強1.201.000.80率余0.60剩0.400.200.00不同光強10 15 202530時間圖2光強對DOP的去除率影響由圖2可知，光強強度明顯的影響著DOP的去除效果。隨著光強強度的降低，對DOP的去除率明顯下降，當光強強度分別為450.w?cm-2,304.w?cm-2，150.w?cm-2，56.wcm-2時，去除率分別為86%，85%，50%，42%。所以光強是影響光催化降解的因素。2.3TiO投加量不同TiO2的量1.201.000.80率余0.60剩0.400.20圖3TiO2投加量對DOP降解的影響由圖3可以看出，隨著TiO2的量的增加DOP降解率也逐步提高，當TiO2為0.25mg時反應30min后去除率為38%；當TiO2為4mg時反應30min后去除率為90%。7.005.00B:pH3.00- 7.005.00B:pH3.00- 2.00- 1.501.00 A:陶粒投加量選取在無極光催化最優(yōu)條件下，用控制變量法，研究臭氧對DOP廢水處理效果。當臭氧通量為6g/h時，pH與陶粒投加量對DOP廢水COD去除率影響如下圖。FactorCoding:ActualCOD去除率DesignpointsabovepredictedvalueDesignpointsbelowpredictedvalue67.732.4X1=A:陶粒投加量X2=B:pHActualFactorC:臭氧投加量=6.0040-202.508.00 -6.00C:臭氧通量 8.00 -6.00C:臭氧通量 4.003.005.007.00B:pH1.000.50圖4pH和陶粒投加量對COD去除率的影響圖由圖4可知，當陶粒投加量一定時，隨著pH值的增加，COD去除率先增加，當pH值為5時，COD去除率達到最大。當pH繼續(xù)增加時，COD去除率卻不斷下降。從而表明在酸性條件下，更有利于多相催化臭氧工藝降解DOP廢水。這可能是因為在弱酸條件下更易于DOP分解為小分子，從而利于臭氧的氧化。當pH為固定值時，隨陶粒投加量增加，COD去除率有所增加這主要是因為粉煤灰陶粒投加量增加時吸附位點增多，吸附速率加快。FactorCoding:ActualCOD去除率DesignpointsabovepredictedvalueDesignpointsbelowpredictedvalue67.732.4X1=B:pHX2=C:臭氧通量ActualFactorA:陶粒投加量=1.50",20-9.002.00 1.00圖5臭氧通量和pH對COD去除率的影響圖608.006.00C:臭氧通量608.006.00C:臭氧通量4.00, 2.001.501.00A:陶粒投加量當陶粒投加量為1.5g時，臭氧通量和pH對DOP廢水COD去除率影響如圖5。由圖可知，COD去除率隨臭氧通量增加而增加，因為臭氧量的增加表明了羥基自由基量的增加，氧化降解的效果就越好，且臭氧通量對COD去除率影響較明顯。FactorCoding:ActualCOD去除率DesignpointsabovepredictedvalueDesignpointsbelowpredictedvalue67.732.4X1=A:陶粒投加量X2=C:臭氧通量ActualFactorB:pH=5.00402.000.50圖6臭氧通量和陶粒投加量對COD去除率的影響當pH為5時，陶粒投加量和臭氧通量對DOP廢水COD去除率的影響如圖4。從圖中可以看出，當陶粒投加量增加時，COD去除率越大。這是因為陶粒投加量增加表明了鐵錳負載量的增加，催化臭氧產生更多的羥基自由基。從而使得DOP廢水COD去除率越高。最后，試驗對多相催化臭氧工藝進行優(yōu)化，主要是尋找最佳反應條件使得響應值最大化，即尋找處理效果最好的工藝條件。根據響應面二次多項式回歸方程，使用DesignExpert軟件，求COD去除率的最大值，得到優(yōu)化條件見下表。

優(yōu)化方案因素取值范圍優(yōu)化方案COD去除率預測值陶粒投加量0.5~2.52.5pH1~94.8383.9臭氧通量2~1010選取負載陶粒投加量為2.5g,pH為5,臭氧通量為10L/min，處理DOP,COD去除率為81.2%，與預測COD去除率83.9%，比較接近。說明建立的模型能真