超重力强化萃取-均相催化臭氧化处理高浓度硝基苯废水

摘要

硝基苯是一种重要的化工原料，在生产过程产生大量的硝基苯废水，对人体及动植物具有强烈致畸、致癌和致突变作用，同时硝基为吸电子基团，使得苯环上的π电子密度大大降低，致使硝基苯化学性质比较稳定，难以被自然降解。高浓度硝基苯废水是一类较难治理的废水，COD一般在2000mg/L以上，色度高，有异味，具有强酸强碱性，单一的处理方法往往达不到预期的效果且处理费用高，不同工艺耦合联用是目前处理该类废水的常用方法。萃取法具有废水处理量大、能耗低等特点，适用于高浓度硝基苯废水的预处理阶段。均相催化臭氧化技术具有反应速率快、处理效果明显等优势，适用于较低浓度硝基苯废水的进一步处理。然而，萃取过程中萃取效率受限于萃取剂的选择和液液传质，均相催化臭氧化过程中气液传质受限也影响着降解效果。
　　针对萃取过程和均相催化臭氧化过程存在的问题，结合超重力技术在强化传质方面独特的优势，本文提出超重力技术强化萃取-均相催化臭氧化处理高浓度硝基苯废水的思路:首先筛选适合于硝基苯废水的萃取剂，以撞击流-旋转填料床为萃取设备预处理高浓度硝基苯废水;然后以旋转填料床为反应设备，采用RPB-O3/Fe2+和RPB-O3/H2O2工艺分别对萃取后酸性和碱性硝基苯废水进一步处理;最后借助高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)检测不同工艺下硝基苯的降解产物，进一步推测硝基苯的降解途径。
　　首先，对萃取剂进行优选。结果表明，环己烷与脂肪酸甲酯相比，用量少，萃取效果好，在硝基苯浓度为1500mg/L，相比1∶1、pH=6.4、萃取时间20min、温度35℃、转子转速350r/min的条件下，硝基苯去除率可达97％，且去除率不受废水pH的影响。对萃取相进行再生，环己烷再生30次后，一级萃取硝基苯去除率依然达到92.11％，表明环己烷萃取性能良好，可以被循环使用。然后，以IS-RPB为萃取设备，环己烷为萃取剂，对高浓度硝基苯废水进行预处理。结果表明，在硝基苯浓度为1500mg/L，反应温度T=25℃，pH为6.4，液体流量为50L/h（撞击初速v0=7.88m/s），相比1∶1，转速为400r/min的条件下，硝基苯去除率和萃取级效率分别为94.93％和99.99％，硝基苯浓度降低至76.05mg/L，为后续氧化处理奠定了基础。相近实验条件下，与IS和RPB相比，IS-RPB中硝基苯去除率提高了1.9％-17.05％，萃取级效率提高了2％-15.96％，体现了IS-RPB强化液液接触与混合新机制的优势。
　　其次，采用RPB-O3/Fe2+工艺处理萃取后的低浓度酸性硝基苯废水。结果表明，在硝基苯浓度为76.05mg/L，COD为139.9mg/L，反应温度T=25℃，臭氧质量浓度为36mg/L，气体流量40L/h，初始pH为3.5，超重力因子β=80，液体流量120L/h，Fe2+浓度为0.4mmol/L，循环处理30min的条件下，硝基苯去除率和COD去除率分别为99.63％和79.56％，废水中硝基苯浓度为0.28mg/L，硝基苯达到国家一级排放标准(GB8978-1996)。相近实验条件下，RPB-O3/Fe2+工艺与RPB-O3相比，硝基苯去除率提高了11.2％，COD去除率提高了29.23％;与BR-O3/Fe2+工艺相比，硝基苯去除率和COD去除率分别提高了25.3％和31.34％，表明超重力技术可以有效的强化臭氧传质，实现硝基苯的高效降解。经过计算，RPB-O3/Fe2+、RPB-O3、BR-O3/Fe2+三种工艺，每1gO3分别降解0.16gCOD、0.1gCOD、0.097gCOD。
　　再次，RPB-O3/H2O2工艺处理萃取后的低浓度碱性硝基苯废水。结果表明，在硝基苯浓度为76.05mg/L，COD为139.9mg/L，反应温度T=25℃，初始pH为10，超重力因子β=80，气体流量为40L/h，臭氧浓度为40mg/L，液体流量为120L/h，H2O2总投加量为5mmol/L，分3次投加，循环处理30min的条件下，硝基苯去除率达到99.2％，COD去除率达到80.01％。相近实验条件下，RPB-O3/H2O2法RPB-O3法相比，硝基苯去除率提高了10.2％，COD去除率提高了22.88％;与BR-O3/H2O2法相比，硝基苯去除率和COD去除率分别提高了18.3％、23.54％。经过计算，RPB-O3/H2O2、RPB-O3、BR-O3/H2O2三种工艺，每1gO3分别降解0.14gCOD、0.1gCOD、0.099gCOD。
　　最后，借助HPLC-MS检测RPB-O3/Fe2+和RPB-O3/H2O2两种工艺下硝基苯的降解产物。由HPLC-MS谱图可知两种工艺降解产物相同，主要有硝基苯酚、苯醌、丁烯二酸、丁炔二酸，由此推导硝基苯氧化降解途径。

目录

声明

摘要

1．1硝基苯的基本性质

1．2硝基苯废水的来源及危害

1．3硝基苯废水处理现状

1．3．1生物法

1．3．2物理法

1．3．3化学法

1．4催化臭氧化技术

1．4．1非均相催化臭氧化技术

1．4．2均相催化臭氧化技术

1．5超重力技术

1．5．1旋转填料床基本结构和工作原理

1．5．2旋转填料床传质性能研究

1．5．3旋转填料床研究现状

1．5．3撞击流-旋转填料床基本结构和工作原理

1．5．4撞击流-旋转填料床研究现状

1．6本课题的目的与意义

1．7本课题的研究内容

2撞击流-旋转填料床内萃取法预处理高浓度硝基苯废水

2．1实验装置与方法

2．1．1实验药品及仪器

2．1．2分析方法

2．2萃取剂的优选

2．2．1萃取平衡时间对硝基苯去除率的影响

2．2．2温度对分配系数和硝基苯去除率的影响

2．2．3 pH对硝基苯去除率的影响

2．2．4相比对硝基苯去除率的影响

2．2．5环己烷再生实验

2．3 IS-RPB内萃取法处理高浓度硝基苯废水

2．3．1相比对硝基苯去除率和萃取级效率的影响

2．3．2转速对硝基苯去除率和萃取级效率的影响

2．3．3对比实验

2．4本章小结

3 RPB-O3／Fe2+工艺处理低浓度酸性硝基苯废水

3．1实验装置与方法

3．1．1工艺流程图

3．1．2实验药品及仪器

3．1．3分析方法

3．2实验结果与讨论

3．2．1初始pH对硝基苯去除率的影响

3．2．2超重力因子β对硝基苯去除率的影响

3．2．3液体流量对硝基苯去除率的影响

3．2．4铁离子浓度对硝基苯去除率的影响

3．2．3工艺比较

3．3本章小结

4 RPB-O3／H2O2工艺处理低浓度碱性硝基苯废水

4．1实验装置与方法

4．1．1工艺流程图

4．1．2实验药品及仪器

4．1．3分析方法

4．2实验结果与讨论

4．2．1 H2O2投加次数对硝基苯去除率的影响

4．2．2初始pH对硝基苯去除率的影响

4．2．3超重力因子β对硝基苯去除率的影响

4．2．4臭氧浓度对硝基苯去除率的影响

4．2．5液体流量对硝基苯去除率的影响

4．2．6 H2O2总投加量对硝基苯去除率的影响

4．2．7对比实验

4．3本章小结

5硝基苯降解产物及途径探讨

5．1实验装置及方法

5．1．1实验药品及仪器

5．1．2分析方法

5．2．1 HPLC-MS一级质谱中间产物检测

5．2．2硝基苯可能降解途径

5．3本章小结

6．1结论

6．2创新点

6．3建议与不足

参考文献

攻读硕士期间发表论文及研究成果

致谢