CN110627158A

CN110627158A - 一种双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法

Info

Publication number: CN110627158A
Application number: CN201910770263.3A
Authority: CN
Inventors: 周少奇; 贲永光
Original assignee: GUIZHOU ACADEMY OF SCIENCES; South China University of Technology SCUT; Guangdong Pharmaceutical University
Current assignee: GUIZHOU ACADEMY OF SCIENCES; South China University of Technology SCUT; Guangdong Pharmaceutical University
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2019-12-31
Also published as: US20210053846A1

Abstract

本发明公开一种双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，属于苯酚降解技术领域，该方法采用双频复合超声对待降解苯酚溶液进行超声处理10‑30min即可；双频复合超声降解苯酚降解率可达83.74％，相比单独使用探头式超声和单独使用槽式超声的降解率提高了45.23％和51.11％。所以，可以明显看出双频复合超声协同降解水中苯酚的降解效果比较理想。

Description

一种双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法

技术领域

本发明涉及苯酚降解领域，特别是涉及一种双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法。

背景技术

随着当前国民经济的高速发展，我国工业废水排放量也急剧增加。由于采用已有的处理技术成本较高，许多企业在监督不严时会在处理环节上打折扣，当这些含有大量难降解的有机污染物的废水直接排放到自然界中时，对人类的健康和生存环境会造成严重的威胁。如何处理这些有毒难降解有机物成为水污染防治界研究的难点之一。

含酚废水是一种来源广、水量大、危害十分严重的工业废水。苯酚是芳香族化合物中的一个典型代表，为一类稳定的化合物，在现代工业中应用广泛，作为抗氧剂、非离子表面活性剂、增塑剂、石油产品添加剂广泛应用于纺织、造纸、塑料、医药、农药、油漆等等工业。大量含有芳香族化合物的有机废水排出后不易被分解，即使被降解，也要产生苯酚。苯酚有一定毒性，且不易被细菌或微生物分解，对水环境造成很大的污染，是一种典型的有毒、有害有机污染物。

目前，常见的含酚废水处理方法有萃取法、吸附法、电催化技术、超声降解法、临界水氧化法和常规氧化法等。单级萃取率可达95％以上，但萃取后的废水含酚量仍不符合排放标准，且在废水中含微量萃取剂，可能造成二次污染，因此，N-503萃取法对高浓度含酚废水，仅作为一级回收处理；欲使废水达到排放标准，须进行二级生化处理。吸附法主要采用大孔径树脂作吸附剂，成本较高。电催化技术作为近10年来迅速发展的新技术,因其适用范围广,氧化处理迅速彻底等优点,广泛应用于有机废水处理,尤其是对生物有较毒性或难生化降解的有机污水治理；由于其处理效率高、操作简便易实现自动化、无二次污染等特点，引起了国内外研究者越来越多的关注。超声降解法其超声波氧化的动力来源是声空化,当足够强度的超声波(15kHz～20MHz)通过水溶液,在声波负压半周期,声压幅值超过液体内部静压,液体中的空化核迅速膨胀。在声波正压半周期,气泡又因绝热压缩而破裂,持续时间约0.1μs。破裂瞬间产生约5000K和l00MPa的局部高温高压环境,并产生速率为110m/s的强冲击微射流。超声波氧化技术采用的设备是磁电式或压电式超声波换能器,通过电磁换能产生超声波。超声波氧化反应条件温和,通常在常温下进行,对设备要求低,是应用前景广阔的无公害绿色化处理技术。临界水氧化法(SCWO)在国内研究尚处于起步研究阶段。氧化法多用于低浓度含酚废水(<1000mg/L)的处理。

超声降解主要通过三条途径进行：一是在超声过程中产生的空化气泡里热解；二是在溶液本体或空化气泡液膜内，受超声过程产生的OH^-和H⁺自由基的攻击而被降解；三是在空化过程中形成的超临界态水氧化而降解。

然而，目前为止，超声降解率低的问题一直得不到解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高超声降解苯酚的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，对待降解苯酚溶液进行超声处理10-30min即可；

所述超声为双频复合超声。

进一步地，所述双频复合超声由探头式超声和槽式超声组合而成，探头式超声和槽式超声同时相向发出超声波。

进一步地，所述探头式超声功率40-600W。

进一步地，所述槽式超声功率40-600W。

进一步地，所述待降解苯酚溶液初始浓度2.00-10.00mg/L。

进一步地，所述待降解苯酚溶液初始pH为8-12。

进一步地，所述待降解苯酚溶液初始pH通过添加pH调节剂进行调节。

进一步地，所述pH调节剂为氢氧化钠溶液或硫酸溶液。

本发明公开了以下技术效果：

本发明通过设计研究超声的功率、苯酚溶液的初始浓度、苯酚溶液的初始pH对苯酚降解的影响，获得了双频复合超声协同降解水中苯酚的最佳工艺。双频复合超声降解苯酚具有降解增强效应，可强化降解技术，可为工业废水的处理领域提供参考。

超声降解其动力来源是声空化,当足够强度的超声波(15kHz～20MHz)通过水溶液,在声波负压半周期,声压幅值超过液体内部静压,液体中的空化核迅速膨胀。在声波正压半周期,气泡又因绝热压缩而破裂,持续时间约0.1μs。破裂瞬间产生约5000K和l00MPa的局部高温高压环境,并产生速率为110m/s的强冲击微射流。双频复合超声的作用机制主要为多个频率的超声可以减少死角，处理对象受到均匀的超声场，协同增强空化效应、机械效应和热效应，协同作用促进了苯酚的降解效率，降解条件温和，降解条件快，适用范围广泛，是一种极具发展潜力和应用前景的新技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超声功率对单独探头式超声降解苯酚的影响；

图2为苯酚溶液浓度对单独探头式超声降解苯酚的影响；

图3为苯酚溶液pH对单独探头式超声降解苯酚的影响；

图4为超声功率对单独槽式超声降解苯酚的影响；

图5为苯酚溶液浓度对单独槽式超声降解苯酚的影响；

图6为苯酚溶液pH对单独槽式超声降解苯酚的影响；

图7为超声功率对双频复合超声降解苯酚的影响；

图8为苯酚溶液浓度对双频复合超声降解苯酚的影响；

图9为苯酚溶液pH对双频复合超声降解苯酚的影响。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，对待降解苯酚溶液进行超声处理10-30min即可；所述超声为双频复合超声。

上述技术方案中，所述双频复合超声由探头式超声和槽式超声组合而成，探头式超声和槽式超声同时相向发出超声波，以致形成多个频率超声波作用于目标物质。

上述技术方案中，所述探头式超声功率40-600W，优选为40-200W；所述槽式超声功率40-600W，优选为120-200W。

上述技术方案中，所述待降解苯酚溶液初始浓度2.00-10.00mg/L；所述待降解苯酚溶液初始pH为8-12。

上述技术方案中，所述待降解苯酚溶液初始pH通过添加pH调节剂进行调节；所述pH调节剂为氢氧化钠溶液或硫酸溶液。

下面对本发明的发明过程及具体实施方案进一步解释说明。

本发明实施例多频复合超声实验装置，由槽式超声和探头式超声组合而成，探头式超声和槽式超声可以同时相向发出超声波，以致形成多个频率超声波作用于目标物质。本发明实施例中槽式超声固定频率为40kHz，功率可调，探头式超声固定频率为25kHz，功率可调。

本发明实施例中采用的苯酚溶液均采用国标方法配制。

下面说明超声中3种因素(功率、浓度、pH)对降解苯酚的影响，分为三部分，分别是单独使用探头式超声、单独使用槽式超声和双频复合超声降解苯酚，寻求超声降解苯酚的最佳工艺参数。

实施例1探头式超声降解苯酚的影响因素

1.1超声功率的影响

调节超声的功率为200W、240W、280W、320W、360W，依次取80mL浓度4mg/L的苯酚溶液到150mL的烧杯中，使用探头式超声处理20min。实验结果如图1所示。

由图1可知，随着超声波功率的增加，苯酚的降解速率降低。功率为200W和360W时对应的降解率为6.59％和3.75％。可能的原因是：当超声功率达到一定程度时，空化泡增长过大，导致空化泡在来不及被压缩至崩溃。另外，当声能太大时，当声波的负相位太大而抑制空化气泡的形成时，空化气泡将形成屏蔽效果，反而使得系统可利用的声能降低，降低降解率。

1.2初始浓度影响

依次精密吸取苯酚溶液来配制初始浓度为2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mg/L的苯酚溶液。用量筒量取苯酚溶液80mL到150mL的烧杯中。在探头式超声的功率为200W下超声20min，结果如图2所示。

从图2可知，在6.00mg/L时，降解率达到最大，为17.59％，当初始浓度大于6.00mg/L时，降解率降低。可见，由于苯酚的初始浓度低，就会使得降解后的苯酚量占总量的比重增大。

1.3pH值的影响

使用H₂SO₄溶液和NaOH溶液来调节苯酚溶液的pH为2、4、6、8、10、12，用量筒量取苯酚溶液80mL到150mL的烧杯中在功率为200W下降解20min。结果如图3所示。

从图3知，降解的效果随着pH的升高而升高。pH为2时降解率仅为0.11％，而当pH为12时，降解率达到38.00％。显然，苯酚在碱性条件下脱酚率较高，降解效果较好。原因是：苯酚溶液是酸性溶液，在碱性条件下，苯酚的酚羟基更可能进入空化气泡界面区域，被空化产生的-OH自由基氧化，甚至一些酚羟基可直接蒸发成空化气泡进行高温热解，提高了降解率。

根据上述实验可知，pH对降解率的影响最大，其次是初始浓度，功率对其影响最小，为了达到更好的降解效果，最佳参数是初始浓度为6.00mg/L，功率为200W和pH为12。

用量筒量取浓度为6.00mg/L的苯酚样品溶液80mL到150mL的烧杯中，调节pH值为12，在探头式超声功率为200W下超声20min，平行实验3次，所得的平均降解率为38.51％。

实施例2槽式超声降解苯酚的影响因素

2.1超声功率的影响

用量筒量取浓度4mg/L的苯酚溶液80mL到玻璃试管中，分别在200W、240W、280W、320W、360W超声功率下超声20分min。结果如图4所示。

由图4可知，功率为200W时降解率为6.20％，功率为240W时降为5.10％，360W时下降为2.40％。总体上看，单独使用槽式超声对苯酚的降解率不高。这可能是因为在某一超声的功率下，空化泡增长过大，导致空化泡在来不及被压缩至崩溃。

2.2初始浓度的影响

依次精密吸取苯酚标准中间液来配制初始浓度为2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mg/L的溶液。用量筒量取苯酚溶液80mL到玻璃试管中。在探头式超声的功率为200W下超声20min。结果如图5所示。

由图5可知，初始浓度对降解率并没有很大的影响。曲线的趋势呈先下降后上升再下降的趋势。在苯酚的初始浓度为6.00mg/L时降解率为5.76％，为最大值。所以，超声降解苯酚时并不浓度越低降解效果越好，而是在一定的范围内，初始浓度越高，降解的效果可能越好。

2.3pH值的影响

使用H₂SO₄溶液和NaOH溶液来调节溶液的pH为2、4、6、8、10、12，用量筒量取苯酚溶液80mL到定制玻璃试管中在功率为200W下降解20min。结果如图6所示。

由图6可知，当pH＝2时，降解率为0.47％，pH＝4，降解率为1.21％，pH＝6，降解率为3.52％，pH＝8，降解率为6.72％，pH＝10，降解率为8.31％，pH＝12，降解率为32.79％。

根据上述实验可知，pH对降解率的影响最大，其次是功率，初始浓度对其影响最小，为了达到更好的降解效果，最佳参数是初始浓度为6.00mg/L，功率为200W和pH为12。

用量筒量取浓度为6.00mg/L的苯酚样品溶液80mL到玻璃试管中，调节pH值为12，在超声功率为200W下超声20min，平行实验3次，所得的平均降解率为32.63％。

实施例3双频复合超声降解苯酚的影响因素

由于双频复合超声的功率有多种组合的方式，本发明实施例采用固定槽式超声的功率为160W，过程中只是改变探头式超声的功率。

3.1超声功率的影响

用量筒量取样品溶液80mL到玻璃试管中，固定槽式超声的功率160W，调节探头式超声的功率为40W、80W、120W、160W、200W，超声20min。结果如图7所示。

由图7可知，双频复合超声的降解效果随功率的增大而降低。在超声功率为200W时降解率为4.90％，而360W时降至0.97％。

3.2初始浓度的影响

依次精密吸取苯酚溶液来配制初始浓度为2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mg/L的溶液。用量筒量取苯酚溶液80mL到玻璃试管中。在槽式超声的功率为160W、探头式超声为40W的条件下超声20min。结果如图8所示。

由图8可知，浓度为2.00mg/L时，降解率为2.48％；浓度为4.00mg/L时，为1.06％；浓度为6.00mg/L时，为6.35％；浓度为8.00mg/L时，为3.10％；浓度为10.00mg/L时，为0.49％。可见，降解率随着浓度的升高先上升后下降。

3.3pH值的影响

使用H₂SO₄溶液和NaOH溶液来调节溶液的pH为2、4、6、8、10、12，用量筒量取苯酚溶液80mL到玻璃试管中，在槽式超声的功率为160W、探头式超声为40W的条件下超声20min。结果如图9所示。

由图9可知，双频复合超声的降解率随pH的增大而增大。当pH为14时，降解率达到最大，为82.3％。原因是苯酚溶液本身显酸性，在超声的过程中，苯酚及其降解后的物质与氢氧化钠发生中和反应，使得反应不断地朝着正反应的方向进行，从而促进苯酚的降解。

根据上述实验可知，pH对降解率的影响最大，其次是功率，初始浓度对其影响最小。为了达到更好的降解效果，最佳参数是初始浓度为6.00mg/L，pH为12和槽式超声的功率为160W、探头式超声的功率为80W。

取浓度为6.00mg/L的苯酚溶液80mL，调节苯酚溶液的pH值12，在槽式超声的功率为160W、探头式超声为80W下超声20min。平行实验3次，得到的降解率为83.74％。

通过上述探究单独使用探头式超声降解苯酚、单独使用槽式超声降解苯酚和双频复合超声降解苯酚，在各自的最佳工艺条件下(即在槽式超声为200W，初始浓度为6.00mg/L，pH值为12的最佳条件下；在探头式超声功率为200W，初始浓度为6.00mg/L，pH值为12的最佳条件下；在槽式超声为160W，探头式超声功率为80W，苯酚初始浓度为6.00mg/L，pH值为12的最佳条件下)对苯酚的降解率可知，双频复合超声降解苯酚比单独使用探头式超声和单独使用槽式超声的降解率提高了45.23％和51.11％。所以，可以明显看出双频复合超声协同降解水中苯酚的降解效果比较理想。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，其特征在于，对待降解苯酚溶液进行超声处理10-30min即可；

所述超声为双频复合超声。

2.根据权利要求1所述的双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，其特征在于，所述双频复合超声由探头式超声和槽式超声组合而成，探头式超声和槽式超声同时相向发出超声波。

3.根据权利要求2所述的双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，其特征在于，所述探头式超声功率40-600W。

4.根据权利要求2所述的双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，其特征在于，所述槽式超声功率40-600W。

5.根据权利要求1所述的双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，其特征在于，所述待降解苯酚溶液初始浓度2.00-10.00mg/L。

6.根据权利要求1所述的双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，其特征在于，所述待降解苯酚溶液初始pH为8-12。

7.根据权利要求6所述的双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，其特征在于，所述待降解苯酚溶液初始pH通过添加pH调节剂进行调节。

8.根据权利要求7所述的双频复合超声降解农村污水中苯酚的方法，其特征在于，所述pH调节剂为氢氧化钠溶液或硫酸溶液。