UV-Fenton 氧化去除聚糖-木質素鉆井廢液COD 的條件研究

陳浩東，雷富強，秦芳玲

（西安石油大學化學化工學院，陜西省油氣田環境污染與儲層保護重點實驗室，陜西西安 710065）

在鉆井過程中，泥漿從地面清除，并通過振動篩回收。完工后，泥漿被傾倒到泥漿池中，形成大量廢棄的鉆井泥漿[1]。如何有效的對廢棄鉆井泥漿進行無害化處理，已成為油氣田企業清潔生產和可持續發展亟待解決的問題之一[2]。高級氧化法處理廢棄鉆井泥漿十分有效，目前普通的Fenton 試劑法在處理難降解的有機污染物時存在降解不徹底的問題，而UV/Fenton 法將紫外光與氧化劑相結合使泥漿中產生更多氧化能力強的游離自由基，Fe2+的再生保持了H2O2的高利用率使得反應更加高效，Fe2+和紫外光對H2O2的催化分解存在協同作用，故其催化效率遠高于單純的Fe2+或紫外光對H2O2催化效率的相加[3]。UV/Fenton 法目前是仍處于研究并沒有大批工業化的新技術，因此本文將紫外光與Fenton 催化氧化法相結合，確定了最佳反應條件，并與普通的Fenton 試劑法進行了COD 降解對比實驗。為聚糖-木質素類鉆井液濾液的處理技術提供一定的實驗依據[4]。

1 材料與方法

1.1 材料

將木質素磺酸鈣和SJ 雜多糖按2:1 質量比加入燒瓶中，混合均勻，在pH 5.0 左右的條件下回流4 h，獲得聚糖-木質素聚合物。

分別按質量分數0.2%和4%依次向水中緩慢加入碳酸鈉和膨潤土，攪拌1 h（400～500 r/min），再密封放置陳化24 h 以制得鉆井液基漿。向鉆井液基漿中按體積分數0.3%加入制備的聚糖-木質素集合物，攪拌20 min（5 000 r/min）。經靜態濾失獲得的聚糖-木質素鉆井液濾液作為本研究鉆井液廢液試樣[5]。

實驗所用的木質素磺酸鈣（分析純）和SJ 雜多糖（化學純）為西安石油大學應用化學實驗室自制，其余藥劑均為國產分析純。

1.2 實驗方法

取50 mL 的聚糖-木質素鉆井液廢液調節pH 至3～4，按一定量依次投加雙氧水（質量分數為30%）和FeSO4，攪拌均勻，在紫外燈下靜置反應一定時間，待絮體完全沉降后（2～3 h），取上清液測定其CODCr[6]。

以COD 去除率為指標，采用L9（33）正交表對H2O2的加量、H2O2/Fe2+的摩爾比、UV 照射時間三因素進行正交實驗研究[7]，各處理因素的各水平（見表1）。

表1 UV-Fenton 氧化聚糖-木質素鉆井廢液的正交實驗因素及水平Tab.1 UV-Fenton oxidation chitosan-lignin drilling waste liquid of factors and levels orthogonal experiment

2 結果與討論

2.1 UV-Fenton 氧化聚糖-木質素鉆井廢液的正交實驗研究

UV-Fenton 氧化處理聚糖-木質素鉆井廢液的正交實驗結果[8]（見表2），由表2 看出，采用UV-Fenton氧化處理聚糖-木質素鉆井液廢液的最佳實驗條件為：A3B2C1，即在雙氧水加量為0.3%（v/v）、H2O2/Fe2+的摩爾比為4.0 和UV 照射時間為30 min 的條件下，經處理后的鉆井廢液的CODCr去除率最高，達50.0%。影響UV-Fenton 氧化處理聚糖-木質素鉆井液濾液CODCr的各因素的主次順序依次為：H2O2投加量、H2O2/Fe2+的摩爾比與UV 照射時間[9]。

表2 UV-Fenton 氧化聚糖-木質素鉆井液廢液的正交實驗結果及分析Tab.2 UV-Fenton oxidation chitosan-lignin orthogonal experiment results and analysis of waste drilling fluid

2.2 H2O2 投加量對UV-Fenton 氧化聚糖-木質素鉆井廢液的影響

在UV 照射時間為30 min 和H2O2/Fe2+的摩爾比為4.0 條件下，H2O2投加體積量對UV-Fenton 氧化聚糖-木質素鉆井廢液的CODCr去除率的影響結果（見圖1）。由圖1 可見，H2O2投加體積比在0～1.2%時，隨著H2O2投加量的增加，CODCr的去除率顯著增加，這是由于反應中Fe2+絡合物［Fe（HO2）］2+的形成速度加快，使生成·OH 的速率增大，CODCr去除率也隨之增加；當H2O2投加量在1.2%～2.4%時，隨著H2O2投加量的變化，CODCr的去除率增加幅度不大，在H2O2投加量為1.2%時，經處理廢液的CODCr為562.2 mg/L，相應的CODCr去除率為73.6%[10]?？紤]到H2O2的投加成本和處理效果，H2O2適宜投加量選為1.2%。

圖1 H2O2 投加量對UV-Fenton 氧化聚糖-木質素鉆井廢液COD 去除率的影響Fig.1 The effect of H2O2 dosage on the COD removal rate of UV-Fenton oxidized polysaccharide-lignin drilling waste fluid

2.3 紫外光照射時間對UV-Fenton 氧化聚糖-木質素鉆井廢液的影響

在紫外光照射下，H2O2可被激活光分解產生大量的·OH，對有機物進行氧化降解[11]。在H2O2加量為1.2%和H2O2/Fe2+的摩爾比為4.0 條件下，不同紫外光照射時間對聚糖-木質素鉆井液廢液CODCr去除率的影響結果（見圖2）。由圖2 可知：紫外光照射有利于提高Fenton 試劑的氧化能力[12]，UV-Fenton 較Fenton 對聚糖-木質素鉆井廢液的COD 去除更為有效。另外，適宜的紫外光照射時間有利于Fenton 體系的氧化作用，使聚糖-木質素鉆井液廢液COD 去除率增大，但當照射時間超過20 min 后，UV-Fenton 體系對鉆井廢液的COD去除率反而有所降低[13]，這可能是由于照射時間過長，H2O2分解產生的·OH 被體系中的Fe2+還原，使體系的氧化能力有所降低有關[14]。在本實驗條件下，采用UVFenton 處理聚糖-木質素鉆井液廢液可選用20 min 為適宜的紫外光照射時間。

圖2 UV 照射時間對UV-Fenton 處理聚糖-木質素鉆井液廢液COD 去除率的影響Fig.2 Effect of UV irradiation time on COD removal rate of glycan-lignin drilling fluid waste liquid treated by UV-Fenton

3 結論

（1）采用正交實驗確定出影響UV-Fenton 去除聚糖-木質素鉆井液廢液COD 的各因素主次順序為：H2O2的投加量、H2O2/Fe2+的摩爾比與UV 照射的時間。

（2）優化的UV-Fenton 氧化聚糖-木質素鉆井液廢液COD 的條件為：雙氧水投加體積比為1.20%、H2O2/Fe2+的摩爾比為4.0 和UV 照射時間為20 min，可使該鉆井液廢液的COD 的去除率達75.6%。