自制TiO2深度处理有机废水的条件选择及应用研究.pdf

第卷第期吉林化工学院学报 年月 收稿日期： 作者简介：李颖（） ， 女， 内蒙古锡林郭勒人， 吉林化工学院级学生， 主要从事环境科学方面的研究 通信作者：李英华，： 文章编号：（） 自制深度处理有机废水的 条件选择及应用研究 李颖， 朱丽丽， 刘永恒， 李昕桐， 伦松鹤， 陈雪， 方玉慧， 董贤贤， 李英华 （吉林化工学院资源与环境工程学院， 吉林吉林；廊坊出入境检验检疫局， 河北廊坊） 摘要：首先采用进口催化剂（） 对甲基橙模拟废水的反应条件进行了优化， 从而得出了最佳的 实验条件： 反应时间为， 甲基橙浓度为 ， 催化剂用量 ， 降解率接近继而将自制 和在实际有机废水的催化处理效果进行了比较， 最高降解率均可以达到左右通过 和等表征手段对其中原因进行了分析， 结果表明， 自制颗粒具有更好的分散性， 能够代替进口 催化剂进行有机废水的深度处理， 实现废水的达标排放 关 键 词：； 光催化剂； 有机废水； 正交试验；深度处理 中图分类号： 文献标志码： 面对越来越复杂的水环境问题， 某些废水经 过传统的水处理工艺， 如物理、 化学和生化工艺已 经很难使处理后的水质稳定地达到排放要求， 而 需要进行有效的深度处理 近年来应用较多的 光催化氧化是进行废水深度处理的比较实用的技 术， 具有效率高、 工艺设备简单、 操作条件易控制 等特点催化剂是具有代表性的型半导体 氧化物， 其稳定性好、 耐腐蚀、 催化活性高 ， 能 够有效分解有机物、 并在光的照射下吸附光子把 有害化合物分解为二氧化碳、 水和无机盐， 因此广 泛应用于含油废水， 含酚废水和染料废水等废水 处理， 并且取得了较好的降解效果 但是， 目前 国内应用较多的催化剂主要依赖进口， 国产 催化剂多数处于研发阶段， 还不能满足实际应用 的需要， 所以高效的自主研发催化剂拥有广阔的 市场前景本文首先用进口在模拟有机废水 实验中对光催化反应条件进行了优化， 然后用自 制在处理实际有机废水过程中与进行 了比较研究， 并分析了原因 实验部分 实验材料 实验仪器：型光催化反应仪（上海 比郎公司） 、 总有机碳（）分析仪（美国公 司） 、型分光光度计（上海悦峰仪器仪表有限 公司） 实验试剂： 自制（制备方法主要采用溶 胶凝胶法结合喷雾干燥， 之后 焙烧小时 而成， 具体步骤见文献 ） ，（进口试剂） ， 甲 基橙（ 分析纯） ； 废水水样来自吉林市某污水处理 厂二沉池出水 光催化实验 首先量取 水样， 然后称取不同质量的 ， 放入的石英反应器中， 加入转子， 在光催化 反应仪（ 内置汞灯， 冷阱和八位反应器）中反应一 定时间反应过程中需固定光强和搅拌速度等其 它条件实验中用分光光度计和分析仪分别 测试并换算模拟废水甲基橙溶液和实际废水有机 物的反应初始浓度和反应后浓度， 按照公式 （） 计算降解率 降解率（）（ ） （） 结果与讨论 光催化条件优化 实验首先对影响光催化效率的主要因素， 光 催化剂用量和反应时间进行了初步探讨， 在此基 万方数据 础上设计正交试验， 得出最佳光催化条件 催化剂用量对光催化效率的影响 实验选用 的甲基橙溶液为模拟废 水， 分别加入 、 、 、 、 、 、 、 的进口， 催化时间为 ， 比较不同催化剂用量对光催化效率的影响， 结果见图： 催化剂用量 图 用量对光催化性能的影响 由图可以看出， 随着催化剂用量的增加， 降 解率逐渐增大， 当催化剂用量为 时， 达到 ， 已达到很高的降解率继续增加催化剂用 量， 反应趋于平稳，甲基橙完全降解，降解率为 考虑到节约成本， 初步确定催化剂用量为 最佳反应时间初选 为了测定不同的光催化时间对实验结果的影 响， 选取 的甲基橙溶液， 固定用量为 ， 测定时间设定为、 、， 进行光催化实验， 绘制降解率与反应 时间的关系曲线见图： 时间 图反应时间对催化性能的影响 由图可知， 随着反应时间的增加， 光催化效 率逐渐提高反应最初降解率以较快的速度上升， 后增加缓慢，后趋于稳定， 此后达到 了， 这表明光催化反应基本完全综上分析， 在用作催化剂降解甲基橙的实验中， 反应时 间初步确定为 正交试验 为考察各主要因素的综合作用， 进行三因素 三水平的正交优化实验 实验选择 为反应时 间，、分别代表反应时间为 、 、；为甲基橙浓度，、分别为甲 基橙浓度 、 、 ；为用 量，、分别为 、 、 结果见 表 表正交试验数据 试验号 反应 时间 空白 甲基橙 浓度 用量 降解率 由表可以直观的看出的降解率最 高， 为根据表极差比较为， 则各 因素从主到次的顺序为：（ 反应时间） ，（用 量） ，（ 甲基橙浓度） ， 即在该实验条件范围内， 最 主要的影响因素为反应时间， 次要因素为催化剂 用量和甲基橙溶液浓度进一步分析值：因素 列：，因素列，因素列 ， 所以优选方案为因为因素中， 催化剂用量 和用量 的值相差不 大， 考虑到经济方面的因素， 选择；因素甲基 橙溶液浓度为最次要影响因素， 对实验结果影响 最小， 而且实际水样有机物的浓度（范围介 于 之间）跟 的甲基橙溶液 （为 ） 接近， 所以选择最终确定 最佳实验条件为， 即反应时间为 ， 甲基橙浓度为 ，用量 应用研究 应用实验采用吉林市某污水厂二沉池的出 水， 考察催化剂对深度处理废水的实际应用效果 取 二沉池废水进项过滤后加入石英反应器 第期李颖， 等： 自制深度处理有机废水的条件选择及应用研究 万方数据 中， 再向石英反应器分别加入 到 的 催化剂（ 自制催化剂名称标记为， 进口催化 剂标记为） ， 反应时间， 结果见图 催化剂用量 图催化剂用量对光催化性能影响 由图可以看出， 随着催化剂用量的增加， 光 催化降解率增大； 用量达到一定值以后降解率不 再增加增加到 后趋于稳定， 时降解率达到最高， 为相同条件下， 用量为 以上时趋于稳定， 这与之前模拟废 水实验中催化剂用量条件影响研究的变化趋势一 致（ 见图） ， 但是最大降解率为， 而模拟废 水几乎全部降解一方面说明自制催化剂用量在 增加至进口的倍左右时可以达到相近的催 化效率另一方面， 与模拟废水的实验结果不同， 两者都不能完全去除实际废水中的所有有机物 主要原因推测是实际废水虽然经过传统的三级处 理去除了大部分污染物， 但是残留部分污染物成 分比模拟废水的单一成分要复杂得多， 属于难降 解有机物， 很难在本文实验条件下完全去除但是 在实际应用过程中， 去除有机物的废水可以 保证 （ ） ， 满足了城镇 污水处理厂污染物排放标准中一级标准（ ） 催化剂表征 为比较分析造成上述实验结果的原因，对 和自制进行了和的催化表征 表自制的数据 样品 比表面积（ ） 由表可见， 自制的平均比表面积为 左右， 小于的比表面积比表面积较 大的催化剂能提供更多的吸附与催化活性位， 还 有利于增强对光的吸收， 催化性能更强， 所以相同 量的反映出的催化效率要比自制的高 进一步分析， 虽然自制的比表面积不及进口 的， 但是当催化剂用量达到后者倍时 却可以达到相近的催化效率（见图） ， 说明自制 存在其它方面优势继续通过比较和自 制的结果， 可以看出（ 图上） 和 （图下）具有不同的形貌特征虽然前者 颗粒度较小（平均粒径 ） ， 但是颗粒之间有 比较大程度的团聚， 会一定程度影响到催化性能； 后者的颗粒度较大， 粒径分布不均匀（粒径范围 ） ， 但是分散性更好， 颗粒之间少有聚 集现象这使得颗粒表面的活性中心更利 于发挥作用， 使有机物在该表面上的催化氧化反 应更加有效地进行 图 （上）和（下）的图 综合上述两种分析， 不同的催化剂形貌导致 如下结果， 即自制的用量为用量的倍 左右时， 催化效果略优于进口催化剂如果国产自 制催化剂代替进口催化剂， 对于国产化而言其意 义自然不用多说， 带来巨大经济效益的同时， 还兼 具一定的社会效益 结 论 通过对和自制在有机废水的光催 化实验研究， 可以得出如下结论： （）在甲基橙模拟废水的光催化降解实验 中， 最佳实验条件为： 反应时间为 ， 甲基橙 浓度为 ， 催化剂用量 ， 甲基橙降解 吉林化工学院学报 年 万方数据 率为以上在实验条件范围内， 反应时间为 主要影响因素， 甲基橙浓度和催化剂用量为次要 影响因素 （）处理实际废水的应用实验结果表明， 自 制在用量为 的光催化效果最好， 降解 率为， 略高于用量为 的时的降 解率（）由于实际废水成分复杂， 部分有机 物在本文的实验条件下很难被降解但是经过处 理后可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准中 一级标准的标准（ ） （）催化剂表征结果表明， 虽然自制比 表面积和颗粒度较大， 但是分散性更好， 完全可以 代替进口催化剂进行有机废水的深度处理， 应用 前景广阔 参考文献： 黄兵华， 张晓飞， 宋磊， 等光催化水处理技术 综述水处理技术，（） ： 张杰， 张彦青， 王培， 等改性纳米光催化的研 究进展自然科学版，（） ： 张卫华， 李晓彤， 徐松， 等二氧化钛光催化效率影响 因素的研究吉林化工学院学报，（） ： 戚秀云， 张冰， 武彦辉， 等油田含聚污水处理技术 探讨炼油与化工，（） ： 王振鹏非金属掺杂改性纳米二氧化钛的制备及可 见光下光催化降解苯酚的研究上海： 上海交通 大学， 柴博， 李钟玉金属酞菁敏化二氧化钛可见光催化 降解染料废水的研究吉林化工学院学报， ，（） ： 李英华， 邹继颖， 董春欣， 等一种新型光催化剂的 制备方法中国， 发明专利， 李云雁， 胡传荣实验设计与技术处理版北 京： 化学工业出版社， 城镇污水处理厂污染物排放标准 ， ， ， ， ， ， ， ， （ ， ， ，； ， ，） ： ： ， ， ， ， ：； ； ； 第期李颖， 等： 自制深度处理有机废水的条件选择及应用研究 万方数据