納米二氧化鈦光催化氧化降解苯酚廢水實驗

焦 偉 劉譯陽

(中國石油集團安全環保技術研究院有限公司)

0 引 言

高濃度、難降解的有機廢水即點源廢水是煉化污水升級達標的難點。綜合分析，點源廢水主要有20多種，典型的有苯酚廢水、堿渣廢水、橡膠廢水、含腈廢水、反滲透濃水等[1]。此外，污水回用產生的反滲透濃鹽水和煉油化工污水處理裝置外排污水中有機物含量雖然偏低，但絕大多數為難生化降解有機物，其去除難度大。點源廢水組成復雜、難降解組分比例高，具有一定毒性，易對污水處理場造成沖擊[2]。

納米二氧化鈦(TiO2)光催化氧化已被證明是一種氧化能力強，選擇性小，處理效率高，不帶來二次污染的水處理方法，且TiO2催化劑具有化學穩定性好，無毒等特性，是一種非常有前景的水處理技術。研究人員利用TiO2光催化氧化技術對一些難降解污染物質，如表面活性劑、石油煉化污水、硝基芳烴、鹵代芳烴、雜環化合物、多環芳烴、染料廢水、造紙廢水、農藥廢水等進行處理，取得顯著效果。TiO2光催化氧化技術在加拿大、美國、澳大利亞等國家已成功應用[3]。

納米TiO2光催化氧化原理是催化劑TiO2受光照射，吸收光能，發生電子躍遷，生成電子-空穴對，從而對污染物直接進行氧化還原。催化劑TiO2無毒無害，成本低，且穩定性高，可回收利用。

本文以實驗室模擬苯酚廢水為研究對象，開展TiO2光催化氧化實驗。

1 實驗裝置構建

搭建納米TiO2光催化氧化小試實驗裝置，處理規模為間歇性10 L/h。裝置包括原水儲罐、光催化反應器、參數測量及控制系統、催化劑回收系統，工藝流程見圖1。

圖1 TiO2光催化氧化裝置實驗工藝流程

2 實驗水樣

實驗水樣為實驗室模擬苯酚廢水。

3 實驗內容與方案

搭建納米TiO2光催化氧化裝置，用實驗室模擬苯酚廢水開展納米TiO2光催化氧化技術研究，考察反應過程中曝氣量、pH值、初始濃度、TiO2投加量等工藝參數對COD、TOC去除率的影響，從而考察苯酚廢水的降解過程[4-5]。

4 結果與討論

1)曝氣量

配制濃度為150 mg/L的模擬苯酚廢水，選用P25 銳鈦礦型TiO2，粒徑20～30 nm[6]，投加量為1.5 g/L。溶液初始pH值為7，考察曝氣量對COD去除率的影響，結果見圖2。

圖2 曝氣量對COD去除率的影響

由圖2可知，光照時間為3 h時，在未曝氣的條件下，COD去除率只有20%左右，曝氣量為0.5 L/min時，COD去除率增大到92.3%，表明隨著曝氣量的增大，COD去除率逐漸增大；但當曝氣量為1 L/min時，COD去除率為71%，曝氣量為3 L/min時，COD去除率明顯下降，為60.2%。因此，初始濃度為150 mg/L，pH值為7的苯酚廢水，在曝氣量為0～3 L/min的條件下，COD去除率先增大后減小[7]。

2)初始pH值

在苯酚廢水初始濃度為150 mg/L，光照時間為1 h的條件下，調節廢水pH值，考察其對COD去除率的影響，結果見圖3。

圖3 pH值對COD去除率的影響

由圖3可知，在光照時間為1 h的條件下，當pH值為3時，COD去除率為90.3%，當pH值為5時，COD去除率為88.2%，當pH值為7時，COD去除率為71.3%，當pH值為9，COD去除率為67.05%。隨著pH值的升高，COD去除率逐漸降低，而當pH值為11時，COD去除率又開始增大，總之，酸性條件比堿性條件下COD去除率高。

3)TiO2投加量

在苯酚廢水初始濃度為150 mg/L的條件下，改變TiO2投加量，考察其對COD去除率的影響，結果見圖4。

由圖4可知，光照時間為0～1.5 h時，隨著TiO2投加量的增大[8-9]，COD去除率增大，當光照時間為1.5～3 h，TiO2投加量為10 g/L時，COD去除率反而降低，因此，TiO2最佳投加量為3 g/L。

4)初始濃度

在曝氣量為0.5 L/min，pH值為7的條件下，TiO2投加量[10-11]為3 g/L，考察廢水初始濃度對COD去除率的影響，結果見圖5。

圖5 廢水初始濃度對COD去除率的影響

由圖5可知，在光照時間為0～1.5 h的條件下，隨著苯酚廢水初始濃度的增加，COD去除率逐漸降低。

5)溫度

在曝氣量為0.5 L/min，pH值為7，光照時間為1.5 h的條件下，TiO2投加量為3 g/L，考察反應溫度對COD、TOC去除率的影響，結果見圖6。

圖6 反應溫度對COD、TOC去除率的影響

由圖6可知，溫度為20～40℃時，隨著反應溫度的升高，COD去除率和TOC去除率幾乎不變，不受溫度影響。

5 結 論

根據國內外光催化技術現狀，結合苯酚廢水特點，通過改變反應參數對苯酚廢水進行研究性實驗，主要結論如下。

1)初始濃度為150 mg/L，pH值為7的苯酚廢水，反應3 h，曝氣量為0～3 L/min的條件下，隨著曝氣量的增大，COD去除率先增大后減小。

2)調節苯酚廢水pH值在3～11，隨著pH值的升高，COD去除率逐漸降低，而當pH值為11時，COD去除率又開始增大，總之，酸性條件比堿性條件下COD去除率高。

3)在光催化反應過程中，隨著TiO2投加量的增大，COD去除率增大，當TiO2投加量為10 g/L時，COD去除率反而降低。

4)苯酚廢水初始濃度在75～300 mg/L時，隨著濃度的增大，COD去除率逐漸降低。

5)反應溫度的改變對COD和TOC的去除率沒有影響。