水力空化降解若丹明B的试验研究

水力空化降解若丹明B的试验研究

1.水力空化降解若丹明B的试验研究 篇一

式中p∞为下游恢复压力,pv为饱和蒸汽压,V为流速,ρ为水的密度[1,2].水力空化技术降解机理可分为水相燃烧反应和自由基反应两个方面.水相燃烧反应是指空化泡在正压相中绝热压缩而溃灭,在溃灭瞬间产生极短暂的强压力脉冲,气泡周围微小空间形成局部热点产生极端的高温、高压.温度及压力分别可达1 900∼5 000 K,5.065×107Pa,温度变化率高达10 K/s,并伴有强烈的冲击波和时速高达400 km/h的射流[3].这些极端环境足以将泡内气体和液体交界面的介质加热分解,促进了有机物的“水相燃烧”反应;自由基反应机理是指在空化作用产生的高温、高压下,水分子裂解产生自由基,自由基可在空化气泡周围界面重新组合或与气相中挥发性溶质反应、或在气泡界面区、甚至在本体溶液与可溶性溶质反应,形成最终产物.在含有聚合物的多相体系中,借助空化泡溃灭时的强大的流体力学剪切力,会使大分子主链上碳键产生断裂,产生自由基发生各种反应,从而达到降解效果[4,5].

近年来国内外学者针对水力空化技术在水处理领域的应用开展了相应的实验研究.Kalumuck和Chahine[6]在空化射流循环设备中降解了硝基苯酚,研究了温度、p H、环境、射流压力和流速对降解效果的影响,并且发现与超声空化相比大大提高了能量利用率.Sivakumar和Pandit[7]在循环水力系统中利用6个不同几何尺寸的多孔板产生不同强度的空化降解50 L浓度为5∼6µg·L-1的罗丹明B染料废水,结果表明不能被生物降解的芳族胺得到了降解,且使溶液脱色,能量效率为超声空化的1.5倍.文献[8-10]与其他消毒技术联合使用对水进行消毒试验研究,结果表明联合使用技术比单独技术的降解效果更加显著,Chakinala等[11]进行了水力空化和高级芬顿法联用处理工业废水的实验,研究了入口压力、H2O2浓度以及工业废水初始浓度等对反应效率的影响,实验表明入口压力越高,适宜的H2O2浓度以及较低浓度的工业废水更有利于反应,实验中TOC(total organic carbon)去除率最高达51%,COD(chemical oxygen demand)去除率最高达60%.李志义等[12]进行了酵母微生物细胞破壁以及油脂和纤维素水解试验.将水力空化用于酵母微生物细胞破壁的试验表明,当60 min内细胞破壁率达65%时,水力空化消耗能量为110 J,而超声空化能耗为1 390 J,机械破壁(高压均浆法)的能耗为1 500 J,前者分别仅为后二者的7.9%和7.3%.乔慧琼等[13]研究了循环时间、苯酚初始浓度、二甲苯初始浓度等因素对降解率的影响以及水温,p H值随循环时间的变化.实验结果表明:苯酚、二甲苯的适宜初始质量浓度分别为28∼38 mg/L,2.9∼3.6 mg/L,水力空化技术适宜于处理微污染水;苯酚、二甲苯的降解率随循环时间呈线性关系,具有一级反应动力学特征;随循环时间的延长,废水的p H值从6.17升高到7.13,水温增加18◦C后趋于稳定,水温的升高会影响到苯酚、二甲苯的降解率.此外还有针对聚乳酸微球粒径分布较宽难于适用气溶胶给药要求的不足,采用水力空化混合强化超临界流体辅助雾化技术(super critical fluid assisted atomization-hydrodynamic cavitation mixer,SAA-HCM)制备聚乳酸(programmable logic array,PLA)超细微粒等相关领域的拓展研究[14-15].

本文在多孔板水力空化反应器实验装置的基础上,分析水力空化技术对罗丹明B溶液及生活污水的降解效果,探讨初始浓度、循环周期及进水压力等影响污染物降解的关键因素,揭示空泡流场水动力特性对污染物的降解机理.

1 实验装置

水力空化装置是指以水力空化反应器为核心的一套封闭水力循环系统,主要由空化发生器、水泵、压力表、流量计及水箱组成,如图1(a)所示.水箱内的待降解溶液通过水泵抽吸输送到压力管,溶液通过管线进入水力空化反应器进行降解后返回水箱,完成一次循环.

水力空化反应器采用24孔多孔板装置,排布方式为辐射状,如图1(b)所示.孔板的几何参数及选取依据如下:一般地为了确保管嘴的正常出流,取ε/dn=3∼4,故板厚ε为6 mm,孔径dn为2 mm;根据孔板上孔洞的总过流面积与管道的截面积之比β计算布孔数n,一般β取0.06[16],管道内径和孔板外径均取40 mm,即DN=40 mm,因此根据可得n为24,即本实验的多孔板的孔数为24个.罗丹明B降解浓度采用紫外-可见分光光度计进行检测,生活污水降解根据《水和废水监测分析方法(第四版)》和中华人民共和国国家环境保护标准(HJ535--2009)进行测定.

2 实验结果及分析

2.1 罗丹明B的降解研究

2.1.1 初始浓度对罗丹明B降解的影响

选取10组不同初始浓度的罗丹明B溶液进行实验,水力循环时间为70 min,进水压力为0.3 MPa.

由图2可知,对于不同初始浓度的罗丹明B溶液,水力空化均能在一定程度上对其进行降解,在一定范围内,罗丹明B溶液的降解效果随着初始浓度的增大而提升.降解罗丹明B最佳适宜初始浓度在10 mg/L附近(本实验为10.228 4 mg/L).初始浓度为4.571 mg/L,6.490 5 mg/L,10.228 4 mg/L的3组降解效果较为理想,因此4∼10 mg/L可为最佳降解初始浓度.

2.1.2 进口压力对罗丹明B降解的影响

图3给出不同压力对初始浓度为10.228 4 mg/L罗丹明B溶液的降解的影响.结果表明,降解率在最初10 min内降解程度基本一致,随后不同进水压力的影响差别开始显现,进口压力越大意味着空化数越高,表明空化程度越强,则空泡溃灭时产生的射流强度越大,有机物热反应程度决定了降解率越高,当P=0.3 MPa时降解量高达2.202 7 mg/L,降解率为21.54%,但压力较低时,降解效果略有反复.

2.1.3 罗丹明B和亚甲基蓝混合溶液的降解

由于亚甲基蓝能捕捉空化自由羟基,利用亚甲基蓝作为示踪剂,处理罗丹明B和亚甲基蓝混合溶液并与单独降解亚甲基蓝进行比对.其中,罗丹明B溶液初始浓度定为5.452 mg/L,亚甲基蓝溶液的初始浓度为0.743 mg/L,实验的时间为70 min,进水压力为0.3 MPa,结果如图4和图5所示.

由自由基降解机理可知,在水力空化发生的过程中会产生大量的自由羟基,由图4知10 min第一个取样点上亚甲基蓝溶液浓度就呈现明显的降低,降解率为16.56%,说明在10 min内,将近17%的亚甲基蓝溶液被消耗,用来捕捉水力空化过程中产生的自由羟基;接下来30 min内的3个取样点的浓度相等,虽然降解率(9.96%)低于第一个取样点,但仍比起始浓度有明显降低,说明亚甲基蓝仍然在捕捉羟基;随后两个取样点浓度再次大幅下降,降解率达到23.15%,可见捕捉羟基力度加大,现象明显;接着亚甲基蓝浓度突然呈近似直线下降,在第70 min浓度达到最小值,仅为0.048 mg/L,下降的比例高达93.54%,几乎消耗殆尽.与图5相比对可知,亚甲基蓝的消耗与罗丹明B降解率的提升相互对应.通过亚甲基蓝的示踪作用,充分证明水力空化过程中确实会产生大量自由羟基,释放能量,而自由羟基反应性极强,能够和罗丹明B反应,这正与图5给出的混合溶液中罗丹明B降解率都要优于单独处理的一倍以上,降解效果有着明显提升一致.亚甲基蓝在降解罗丹明B溶液的过程中起到一定的催化加速作用,提升了降解效果.

2.2 生活污水的降解研究

根据南京地区典型的生活污水的C∶N∶P=50∶10∶1,按照此比例配置模拟生活污水,进行氨氮(NH4+)和总磷(TP)降解实验.

空化过程会产生大量空泡,空泡的溃灭增加了水中的溶氧,从而促进了氨氮的氧化,另外空泡破灭后产生的强大的冲击波也会促进氨氮的降解.就每天的降解效果来看,第一天的降解效率最高,其中P=0.3 MPa时达9.03%,随后降解率趋于平缓,如图6所示.

图7给出了总磷的降解曲线.总磷的浓度随时间的变化是逐渐下降,在第4天达到最小值,降解效果较为理想.空化过程中除了产生自由羟基,还有部分H,HO2和O等自由基,它们又会结合形成H2O2,同时空泡溃灭时产生的冲击波和射流也促进了这些自由基和磷酸盐的反应,通过氧化作用达到降解的目的.

与氨氮降解相比,虽然两者降解的总体趋势相类似,但不论是单天的最佳降解率(氨氮9.03%<总磷18.42%),还是最大的降解率(氨氮13.89%<总磷22.16%),总磷的降解效果明显优于氨氮近一倍,这与总磷降解机理是分不开的.

3 小结

本文在多孔板水力空化反应器实验装置的基础上,分析水力空化技术对罗丹明B溶液及生活污水的降解效果,确定了罗丹明B溶液最佳降解初始浓度范围为4∼10 mg/L.增大进口压力可以增强空化发生强度,从而进一步提升降解效率.通过亚甲基蓝的“示踪”证实水力空化降解罗丹明B溶液的作用机理是空化自由羟基与罗丹明B发生氧化反应,同时起到催化剂的作用,提升水力空化降解罗丹明B的效果.处理模拟生活污水结果表明水力空化技术能够降解模拟生活污水中的氨氮及总磷,且增大进水压力,强化空化效果除了可以产生大量自由基外,空泡溃灭时产生的冲击波和射流也促进了这些自由基和磷酸盐的反应,通过氧化作用达到降解的目的,导致总磷的降解效果明显优于氨氮近一倍.

摘要：在多孔板水力空化反应器实验装置的基础上,分析研究了污水初始浓度、循环周期及进水压力等因子对罗丹明B溶液、生活污水中污染物降解效果的影响.结果表明进口压力越大,空化程度越强,自由基数量充足则降解效果越好,最佳降解初始浓度在10 mg/L附近,亚甲基蓝作为催化剂能促进罗丹明B的降解.对生活污水中总磷的降解程度优于氨氮的效果近一倍.