納米TiO2處理鉆井廢水研究

王 松，樊 營 (長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

王浩任 (中國石化集團工程研究院大陸架公司,山東 德州 253000)

張順元 (中國石油集團工程研究院海外所,北京 100195)

納米TiO2處理鉆井廢水研究

王 松，樊 營 (長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

王浩任 (中國石化集團工程研究院大陸架公司,山東 德州 253000)

張順元 (中國石油集團工程研究院海外所,北京 100195)

油田鉆井廢水成分復雜，若處理不當將會對環境造成嚴重影響。分析了江漢油田鉆井廢水的水質特性，采用酸化中和、混凝進行預處理，并用納米TiO2對江漢油田鉆井廢水進行了深度處理，同時確定了納米TiO2光催化處理鉆井廢水的適宜條件，即納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右、初始pH值為4、光催化氧化反應時間100～120min、光距40～80mm。試驗結果表明，經過處理后的江漢油田鉆井廢水各項污染指標均達到國家規定的污水排放標準。

江漢油田；鉆井廢水；納米TiO2

工業廢水特別是石油鉆井廢水，這類廢水含有許多對人體有害的物質，如酚類、芳烴及其衍生物、重金屬等，種類繁多，污染環境，危害人體健康，因而各國政府都對鉆井廢水的處理和排放提出了嚴格的要求，為此研究者提出了相關處理方法[1-6]。下面，筆者利用納米TiO2作為光敏半導體材料催化氧化處理工業污水，實現回收利用或達標排放，取得了良好的社會和經濟效益。

1 試劑與儀器

1.1試劑

硫酸亞鐵銨；重鉻酸鉀；濃硫酸；30%雙氧水；硫酸銀；硫酸汞；FeSO4·7H2O；硫酸鋁；硫酸鐵；氯化鋁、氯化鐵；鄰菲啰啉；納米TiO2。以上藥劑均為化學純。

1.2儀器

JJ-1精密增力電動攪拌器；FA-N/JA-N電子天平；pHs-3C精密酸度計；COD125 測定儀；AQ2010濁度儀；高速離心機；紫外燈。

2 結果與討論

2.1鉆井廢水水質分析

由于鉆井廢水種類繁多，成份各不相同，選用江漢油田鉆井廢水作為處理對象，其水質分析結果如表1所示。

表1 鉆井廢水的水質分析結果

注：①本標準采用《污水綜合排放標準》GB8978-1996[7]。②COD:化學需氧量。③SS:懸浮物。

從表1可以看出，該油田鉆井廢水的各項指標均超標，需要進行處理。

2.2鉆井廢水的預處理

1)酸化 取水樣加入H2SO4調節pH值分別為1、2、3、4和5，攪拌后倒入量筒靜置沉淀，取上清液測COD和色度，結果如表2所示。從表2可以看出，pH值為3比較合適。

表2 酸化處理結果

2)中和 取經酸化至pH值為3的水樣加入NaOH,調節pH值為8，攪拌后倒入量筒靜置沉淀，取上清液測得結果如下：COD為2360mg/L；色度為140倍(棕黃色)；濁度為33.4。

3)鉆井廢水的混凝處理 將等量150mg/L混凝劑FeCl3、Al2(SO4)3、AlCl3、Fe2(SO4)3分別加入4個干凈燒杯中，再在每個燒杯分別加入100ml經過預處理的鉆井廢水。用配制的硫酸溶液調pH值，攪拌30min后靜置60min，待分層后取上層清液測定COD，測試結果如表3所示。

表3 混凝劑的篩選試驗結果

由表3可以看出， AlCl3對鉆井廢水的混凝效果明顯優于其他混凝劑，故選擇AlCl3為混凝劑。

2.3納米TiO2深度處理鉆井廢水

1)TiO2投加量對COD去除率的影響 取6份100ml經預處理后的鉆井廢水，在300W紫外燈光照射下，光距為80mm，用NaOH溶液和H2SO4溶液調節廢液的pH值到4左右，在反應時間為60min的條件下，分別加入不同量的TiO2，結果如表4所示。

表4 TiO2投加量對COD去除率的影響

由表4可知，隨著TiO2用量增加，鉆井廢水COD去除率越來越大，在用量為200mg/L時，在一定時間內COD去除率可以達到 68.19%；但當TiO2用量大于200mg/L時，鉆井廢水COD去除率不再增加，反而降低。其原因是當TiO2投加量增加到一定程度時，過量的催化劑反應會造成散射，再加上催化劑相互間的掩蔽作用，使得有效光子產率降低，導致光催化降解率下降。因此，確定納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右。

表5 初始pH值對COD去除率的影響

2)初始pH值對COD去除率的影響 取6份100ml經預處理后的鉆井廢水，在300W紫外燈光照射下，加入TiO2200mg/L，光距為80mm，反應時間為60min的條件下，用NaOH溶液和H2SO4溶液調節廢液的pH值，COD去除率如表5所示。從表5可以看出，當溶液的pH值為4時，鉆井廢水COD去除率最大。因此，初始pH值以4為宜。

3)光催化氧化反應時間對COD去除率的影響 取6份100ml經預處理后的鉆井廢水，考慮到廢水中加入納米TiO2后光照反應時間對COD去除率的影響，在300W紫外燈光照射下，加入TiO2200mg/L，用NaOH溶液和H2SO4溶液調節廢液的pH值在4左右，光距為80mm，反應時間分別為10、30、60、80、100和120min(見表6)。從表6可以看出，隨著反應時間的增長，鉆井廢水COD的去除率逐漸升高，在100min時，去除率上升的幅度很大，這表明在100min時反應已基本完成，因而光催化氧化反應時間以100～120min為宜。

4)光強對COD去除率的影響 取6份100ml經預處理后的鉆井廢水，光強以光距(即光源距反應裝置的距離)來表示。在300W紫外燈光照射下加入TiO2200mg/L，用NaOH溶液和H2SO4溶液調節廢液的pH值在4左右，反應時間為100min,調節光距為20、40、60、80、100和120mm(見表7)。

表6 光催化氧化反應時間對COD去除率的影響

表7 光距對COD去除率的影響

從表7可以看出，當光距為40mm時鉆井廢水COD去除率明顯提高。當光距大于80mm后鉆井廢水COD去除率開始降低，說明光強太大或太小都不適于污水中有機物降解。因此，光距取40～80mm較為合適。

3 處理后的水質分析結果

江漢油田鉆井廢水在經過納米TiO2的深度處理后的水質分析結果如表8所示。從表8可以看出，各項污染指標均能達到國家規定的污水排放Ⅱ級標準。

表8 納米TiO2處理后的鉆井廢水水質分析結果

4 結 語

江漢油田鉆井廢水成分復雜，各項污染指標嚴重超標，對其處理可采用酸化、中和、混凝和TiO2光催化處理。通過室內試驗確定了TiO2光催化處理鉆井廢水的適宜條件：納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右；初始pH值以4為宜；光催化氧化反應時間為100～120min；光距為40～80mm。結果表明，經過上述條件處理后的該油田鉆井廢水各項污染指標均能達到國家規定的污水排放Ⅱ級標準。

[1]范崇政，肖建平，丁建偉.納米TiO2的制備與光催化反應研究進展[J].科學通報,2001，46(4):256-273.

[2]羅菊仙，趙中一.半導體多相光催化氧化技術在環境保護中的應用研究進展[J].中國地質大學學報，2000，25(5):536-541.

[3]楊合，馬興冠，趙蘇.光催化技術在廢水處理中的應用[J].環境保護科學，2004，30(2):9-11.

[4]劉真.井下作業廢水處理的試驗研究[J].油氣田環境保護，2000，10(4):19-21.

[5]王春梅.TiO2光催化性能及在水處理中的應用[J].南通大學學報(自然科學版)，2005，4(1)：28-31.

[6]吳斌,王松,喻霞,等.納米TiO2處理油田壓裂廢液研究[J].長江大學學報(自然科學版),2009,6(4):N179-181.

[7] GB8978-1996,污水綜合排放標準[S].

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.017

X741

A

1673-1409(2012)09-N049-03

2012-06-24

王松(1964-)，男,1985年大學畢業，教授,現主要從事油田化學方面的教學與研究工作。

[編輯] 李啟棟