CN103183397A - 一种催化降解水中全氟辛酸的装置和方法 - Google Patents

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程建华
胡勇有
杨佘维
梁小燕
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Abstract

本发明公开了一种催化降解水中全氟辛酸的装置和方法，该装置包括密闭遮光的隔箱及在隔箱内设置的恒温磁力搅拌器，以及置于搅拌器上用于盛装含全氟辛酸废水的反应器，所述反应器内设有真空紫外灯，该反应器由惰性材质制得。降解方法如下：a）将待处理的含全氟辛酸的废水加入反应器中，同时加入Fe3+作为催化剂，控制pH值在2～4之间，插入紫外灯，闭合隔箱；b）打开磁力搅拌器和紫外灯，整个反应在恒温、避光、搅拌的条件下反应3～5小时，即可出水。本发明装置结构简单，实现了温和条件下对PFOA的有效降解和脱氟，且投加的药剂更少，成本较低。

Description

一种催化降解水中全氟辛酸的装置和方法
技术领域
本发明属于环境工程水处理技术领域，是关于水体中持久性有机污染物全氟辛酸（PFOA）等全氟化合物的处理装置和方法，具体为一种基于VUV/Fe3+体系催化降解水中PFOA的装置和方法。
背景技术
全氟化合物（PFCs）被广泛应用于纺织、造纸、包装、农药、地毯、皮革、打磨地板、洗发香波和灭火泡沫等工业和民用领域。环境中存在的PFCs主要有全氟羧酸类、全氟磺酸类、全氟酰胺类及全氟调聚醇等，而全氟辛酸（PFOA）是目前应用最广泛的全氟有机物，它也是多种PFCs在环境中的最终转化产物。其大量生产和使用已在全球生态系统中造成了非常严重的环境累积和持久性污染。
PFOA具有非常稳定的化学性质，迄今为止，尚未发现它们在生物体内降解的任何证据和相关报道，也没有发现其任何自然降解的途径。常规的高级氧化技术（如O3、O3/UV、O3/H2O2和H2O2/Fe2+）均不能使其有效降解。目前虽然不少研究者针对不同全氟类化合物开展了以生物降解、氧化还原、高温焚烧等手段去除与回收技术方法的研究，但它们均不同程度地存在能耗较高、操作复杂、回收率低、二次污染等弊端。因此，目前关于PFCs的降解修复研究还处于起步阶段，仅有少数的研究正在进行，如超声波、亚临界体系、光催化体系降解效果较好，但条件要求较高，能耗大；光催化氧化体系反应条件相对温和，但脱氟过程缓慢且效率不高；光氧化体系则由于大量氧化剂的会导致二次污染和过高费用的问题，都难用于实际废水的处理。因此如何在温和条件下实现PFOA的有效降解是急需解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于VUV/Fe3+体系催化降解水中全氟辛酸（PFOA）的装置和方法，该体系在温和条件下即可实现PFOA的高效降解，提高脱氟率，缩短反应时间。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种催化降解水中全氟辛酸的装置，包括密闭遮光的隔箱及在隔箱内设置的恒温磁力搅拌器，以及置于搅拌器上用于盛装含全氟辛酸废水的反应器，所述反应器内设有真空紫外灯，该反应器由惰性材质制得。
优选地，所述真空紫外灯连接电源的一端固定在反应器上方，另一端伸入反应器内。
优选地，所述反应器为由聚四氟乙烯制得的圆柱形器皿。
优选地，所述反应器上设有取样口，用于采样分析。
优选地，步骤b）所述紫外灯能同时发射185nm和254nm的紫外光，其中185nm紫外光所占比例为12～15%。
利用上述装置降解水中全氟辛酸的方法，包括如下步骤：
a）将待处理的含全氟辛酸的废水加入反应器中，同时加入Fe3+作为催化剂，控制pH值在2～4之间，插入紫外灯，闭合隔箱；
b）打开磁力搅拌器和紫外灯，紫外光与投加的Fe3+催化剂构成VUV/Fe3+体系催化降解水中PFOA，整个反应在恒温、避光、搅拌的条件下反应3～5小时，即可出水。
优选地，所述全氟辛酸与Fe3+的摩尔比为（1.0～2.0）:1。
优选地，所述Fe3+由FeCl3提供，反应溶液中FeCl3浓度为0.05mmol/L以下，浓度过高时会产生沉淀，影响降解效果。
优选地，步骤b）所述反应温度为20～40℃，搅拌速度120～200rpm。
其中，pH为3～4时效果最佳，可根据水质情况、经济性等确定实际pH。
优选地，对含有PFOA的受污染水体进行预处理，浊度较高的水体需进行过滤，降低水中悬浮物对紫外线的衰减作用。
优选地，待处理的受污染水体中PFOA的浓度范围在5～90mg/L。
本发明真空紫外灯使用时需闭合反应器外的隔箱，防止紫外光对周围操作人员造成伤害；紫外灯寿命对降解效果有直接的影响，脱氟效果下降明显时需及时更换紫外灯；此外，氧化剂（如H2O2、K2S2O8等）会抑制该体系对PFOA的脱氟。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1）本发明装置的结构简单，充分发挥了紫外灯少量真空紫外线（波长185nm）的强分解作用与Fe3+在254nm紫外辐照下的光催化作用，实现了温和条件下对PFOA的有效降解和脱氟。
2）反应条件简单：该VUV/Fe3+体系紫外灯功率为12w，为UV/Fe3+体系的1/2；体系无需外加气源，一般光催化体系需外加气源持续供气，而本发明体系在反应气氛上无要求；该体系对温度不敏感，反应溶液pH值在2～4范围内即可实现高效降解，反应条件较UV/Fe3+体系简单。
3）降解效果好：在相同催化剂投加量条件下，本VUV/Fe3+体系的降解脱氟效果明显好于UV/Fe3+体系，脱氟率较传统方法最高可提升50%以上，脱氟速率加快，而投加的药剂更少，成本较低。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种催化降解水中全氟辛酸的装置，包括密闭遮光的隔箱1及在隔箱1内设置的恒温磁力搅拌器2，以及置于搅拌器2上用于盛装含全氟辛酸废水的反应器3。所述反应器3内竖置有真空紫外灯5作为光源（发射185+254nm紫外光，其中185nm的VUV占12～15%），并通过隔箱1外的紫外光电源6提供能量；真空紫外灯连接电源的一端固定在反应器3上方，另一端伸入反应器3内。反应器3是由聚四氟乙烯制得的圆柱形器皿，其上设有取样口4。
处理含有PFOA的自来水，水样原始pH为7.3，PFOA浓度为15mg/L，F-浓度约为0（未检出），浊度较低，不需预处理，可直接进行降解。
利用该装置降解水中PFOA的方法，包括如下步骤：
a）将待处理的含PFOA废水加入反应器3中，同时加入FeCl3溶液，浓度为0.03mmol/L，PFOA/FeCl3(摩尔比)为1.2:1，pH值用0.1mol/L NaOH和HCl调节为4，插入真空紫外灯5，闭合隔箱1，防止紫外光对周围操作人员造成伤害；
b）开启磁力搅拌器2的电源，同时开启紫外光电源6，反应过程中磁力搅拌器2连续搅拌，在空气中常压下反应，无外加气源，反应温度由恒温培养箱调控，体系在恒温、避光、搅拌的条件下反应4小时；
c）关闭紫外光电源6，关闭磁力搅拌器2，反应结束，出水，采用离子色谱检测水中F-浓度，确定脱氟率。
经检测，反应后PFOA的降解率达到54%，而在相同摩尔比条件下，UV/Fe3+体系的脱氟率仅为35%，说明本发明的VUV/Fe3+体系对于PFOA具有良好的降解效果，可实现温和条件下用更少催化剂投加量达到较高脱氟率。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种催化降解水中全氟辛酸的装置，其特征在于，该装置包括密闭遮光的隔箱及在隔箱内设置的恒温磁力搅拌器，以及置于搅拌器上用于盛装含全氟辛酸废水的反应器，所述反应器内设有真空紫外灯，该反应器由惰性材质制得。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空紫外灯连接电源的一端固定在反应器上方，另一端伸入反应器内。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述反应器是由聚四氟乙烯制得的圆柱形器皿。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述反应器上设有取样口。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述紫外灯能同时发射185nm和254nm的紫外光，其中185nm紫外光所占比例为12～15%。
6.利用权利要求1～5任意一项所述的装置降解水中全氟辛酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）将待处理的含全氟辛酸的废水加入反应器中，同时加入Fe3+作为催化剂，控制pH值在2～4之间，插入紫外灯，闭合隔箱；
b）打开磁力搅拌器和紫外灯，整个反应在恒温、避光、搅拌的条件下反应3～5小时，即可出水。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述全氟辛酸与Fe3+的摩尔比为（1.0～2.0）:1。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述Fe3+由FeCl3提供，反应溶液中FeCl3浓度为0.05mmol/L以下。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤b）所述反应温度为20～40℃，搅拌速度120～200rpm。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤b）所述反应温度为20～40℃，搅拌速度120～200rpm。
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