CN110723778B - 一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及废水处理领域，尤其涉及一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法。包括以下步骤：向含有多环芳香烃的废水中通入氧气一定时间，得到含氧废水；然后向含氧废水中加入一定量的丙酮后，得到前处理液，将前处理液通入内部设置有多层光催化板的容器中，然后对容器中照射紫外光一定时间，得到降解废水。本发明是为了克服现有技术中的光降解废水中多环芳香烃的方法所用到的光催化效率较低，其使用的紫外光强度极高容易对人造成伤害，同时光催化剂添加量需要较高的缺陷，具有能够在低紫外光强度的条件下快速降解水中多环芳香烃的优点，同时光催化促进剂添加含量低且光催化效率不会随时间推移而降低。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理领域，尤其涉及一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法。
背景技术
多环芳香烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs）是分子中含有两个或两个以上苯环结构的化合物。多环芳香烃也是最早在动物实验中获得成功的化学致癌物。1915年日本学者Yamagiwa 和Ichikawa,用煤焦油中的多环芳香烃所致。在五十年代以前多环芳香烃曾被认为是最主要的致癌因素，五十年代后各种不同类型的致癌物中之一类。 但从总的来说，它在致癌物中仍然有很重要的地位，因为至今它仍然是数量最多的一类致癌物，而且分布极广。空气、土壤、水体及植物中都有其存在，甚至在深达地层下五十米的石灰石中也分离出了3，4-苯并芘。在自然界，它主要存在于煤、石油、焦油和沥青中，也可以由含碳氢元素的化合物不完全燃烧产生。汽车、飞机及各种机动车辆所排出 的废气中和香烟的烟雾中均含有多种致癌性稠环芳香烃。露天焚烧（失火、烧荒）可以产生多种稠环芳香烃致癌物。烟熏、烘烤及焙焦的食品均可受到多环芳香烃的污染。
光催化降解就是利用辐射、光催化剂在反应体系中产生的活性极强的自由基，再通过自由基与有机污染物之间的加合、取代、电子转移等过程将污染物全部降解为无机物的过程。
由于多环芳香烃其难以化学和生物降解的的特性，传统的用于降解多环芳香烃的方法便是光降解法，但是传统的光降解法需要高光密度的紫外光照射，不仅能量损失较大，同时高能的紫外光对也容易造成人体的损伤。
例如公开号为CN109052764A的一种汽修厂污水光催化处理技术，包括过滤与光催化处理技术，通过过滤出去污水中悬浮物，再通过光催化处理技术，加入了催化剂后，用氙灯作光源对污水进行光催化，光催化氧化法就是利用半导体的特性,在光的照射下吸附光子起催化剂的作用，发生生成反应基氧化有害化合物,并使之矿化,把有害化合物分解为二氧化碳、水和无机盐；该技术可以不用另外的电子受体进行操作，操作的条件比较容易控制，氧化能力很强，同时还没有二次污染，可以把水中包含的有机污染物完全的降解成为水或者二氧化碳等，把无机污染物被还原成了无害物或者被氧化，而且所需的光催化剂有无毒、廉价、稳定以及能够重复的使用等优点，但是其催化效率较低需要极高的此外光线强度，同时光催化剂添加量需要较高。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的光降解废水中多环芳香烃的方法所用到的光催化效率较低，其使用的紫外光强度极高容易对人造成伤害，同时光催化剂添加量需要较高的缺陷，提供了一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其能够在低紫外光强度的条件下快速降解水中多环芳香烃同时无需添加过量的光催化剂。
为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）微氧化处理：向含有多环芳香烃的废水中通入氧气一定时间，得到含氧废水；
（2）前处理液配制：向含氧废水中加入一定量的丙酮后，得到前处理液；
（3）紫外光催化：将前处理液通入内部设置有多层光催化板的容器中，然后对容器中照射紫外光一定时间，得到降解废水；
所述光催化板表面含有一定量的金属银以及稀土元素。
本发明中的降解废水中多环芳香烃的方法首先在废水中通入氧气，从而使得废水中的氧含量大大提升，然后与丙酮混匀后进行光催化，废水中的丙酮在紫外光的作用下与光催化板首先反应形成产生HOx自由基，其能够作为催化促进剂与废水中的多环芳香烃产生自由基氧化反应，从而能够在低光密度的条件下降解多环芳香烃，通过配合氧气的氧化作用能够有效提高多环芳香烃分解效率。此外，由于光催化板表面含有一定量的金属银以及稀土元素其具有良好的光敏活性以及光敏激发性，因而其能够大大增强光催化反应活性，使得光催化效果大大提升。
作为优选，步骤（1）中氧气通入量为500~1500mL/min，通氧时间为0.5~3h。
作为优选，步骤（2）中丙酮含量为300~1500ppm。
本发明中丙酮添加量浓度为ppm级，再此浓度下便能够有效提高多环芳香烃的分解效率，同时在此浓度下丙酮能够有效的完全形成HOx自由基，防止光降解之后的废水中仍然还存在丙酮。
作为优选，步骤（3）中光催化板的制备方法如下：
（S.1）含稀土气凝胶的制备：将四乙氧基硅烷、稀土粉、酸催化剂以及无水乙醇溶剂搅拌混合后，静置升温老化后得到湿溶胶，超临界处理后得到稀土气凝胶；
（S.2）表面沉积金属银：将稀土气凝胶粉碎后向加入到银氨溶液中，混合均匀后向其中滴入葡萄糖溶液，水浴搅拌一定时间后过滤干燥，得到表面沉积金属银的稀土气凝胶粉；
（S.3）烧结成型：将表面沉积金属银的稀土气凝胶粉经单轴压缩后得到板胚，然后将板胚高温烧结后得到光催化板。
本发明中的光催化板首先通过将四乙氧基硅烷作为载体吸附稀土粉后生成含有稀土成分的气凝胶，然后将其粉碎之后溶于银氨溶液中通过加入葡萄糖溶液，将单质金属银沉淀在稀土气凝胶粉末表面，采用这种方法金属银的粒径相对较小且分布均匀，使得各部分的催化效果能够均一稳定。然后将表面沉积金属银的稀土气凝胶粉烧结之后得到的光催化板具有较多的孔隙，因而废水不仅能在光催化板表面进行催化，还能够在进入到光催化板内部孔隙中进行催化，从而提高了催化效果。
同时，由于光催化板中的催化成分能够有效固定在板中，因而整体的催化效果不会随着时间推移而降低。
作为优选，步骤（S.1）中四乙氧基硅烷与稀土粉的质量比为100：（1~5），所述酸催化剂调节溶液pH至为2~3.5，搅拌反应20~40min
作为优选，步骤（S.1）稀土粉按照那个重量份数计包括氧化铈20~35份、氧化铕10~15份、氧化镧10~15份以及氧化镱3~8份。
作为优选，步骤（S.1）中老化温度为65~70℃，老化时间为1~3h，所述超临界温度为250~280℃，超临界压力为5~8MPa。
作为优选，步骤（S.2）中稀土气凝胶与银氨溶液的质量比为（10~35）:100，所述葡萄糖溶液的质量分数为20~30%，所述银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为100：（0.2~0.5），所述水浴温度为60~65℃。
作为优选，步骤（S.3）中单轴压缩压力为8~12MPa，所述烧结温度为 600~850℃，烧结气氛为氮气。
作为优选，步骤（3）紫外光发射波长为254nm，辐照强度为120~150uW/cm2，辐照时间为10~30min。
现有技术中的用于光降解的紫外光的强度通常在180uW/cm2以上，且辐照时间通常以小时起计算，而本发明中的紫外光的辐照强度为120~150uW/cm2，且辐照时间仅仅为10~30min，因而具有高效的光降解效率。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）能够在低紫外光强度的条件下快速降解水中多环芳香烃；
（2）光催化促进剂添加含量低；
（3）光催化效率不会随时间推移而降低。
附图说明
图1 为本实施例1与对比例1和对比例2的多环芳香烃浓度时间曲线。
具体实施方式
面结合说明书附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为个例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，所述方法包括以下本步骤：
（1）微氧化处理：向含有2000ppm多环芳香烃的废水中以800mL/min的流量通入氧气2h，得到含氧废水；
（2）前处理液配制：向含氧废水中加入1000ppm的丙酮，得到前处理液；
（3）紫外光催化：将前处理液通入内部设置有多层光催化板的容器中，然后以254nm的紫外光辐照时间为20min后，得到降解废水，辐照强度为130uW/cm2。
光催化板的制备方法如下：
（S.1）含稀土气凝胶的制备：将四乙氧基硅烷以及稀土粉按照质量比100：3加入到150份的无水乙醇中，加入盐酸调节溶液pH至为2.5，后，搅拌反应30min后
，静置升温至70℃，老化2h后得到湿溶胶，然后在超临界温度为260℃，超临界压力为6MPa的条件下超临界处理后得到稀土气凝胶；
（S.2）表面沉积金属银：将稀土气凝胶粉碎后按照质量比20:100向加入到银氨溶液中，混合均匀后向其中滴入质量分数为25%的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为100：0.3， 65℃水浴搅拌一定时间后过滤干燥，得到表面沉积金属银的稀土气凝胶粉；
（S.3）烧结成型：将表面沉积金属银的稀土气凝胶粉经10MPa的单轴压缩后得到板胚，然后将板胚在氮气保护下800℃烧结后得到光催化板。
实施例2
一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，所述方法包括以下本步骤：
（1）微氧化处理：向含有1000ppm多环芳香烃的废水中以500mL/min的流量通入氧气0.5h，得到含氧废水；
（2）前处理液配制：向含氧废水中加入300ppm的丙酮，得到前处理液；
（3）紫外光催化：将前处理液通入内部设置有多层光催化板的容器中，然后以254nm的紫外光辐照时间为10min后对，得到降解废水，辐照强度为120uW/cm2。
光催化板的制备方法如下：
（S.1）含稀土气凝胶的制备：将四乙氧基硅烷以及稀土粉按照质量比100：1加入到100份的无水乙醇中，加入盐酸调节溶液pH至为2，后，搅拌反应20min后
，静置升温至65℃，老化1h后得到湿溶胶，然后在超临界温度为250℃，超临界压力为5MPa的条件下超临界处理后得到稀土气凝胶；
（S.2）表面沉积金属银：将稀土气凝胶粉碎后按照质量比10:100向加入到银氨溶液中，混合均匀后向其中滴入质量分数为20%的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为100：0.2，60℃水浴搅拌一定时间后过滤干燥，得到表面沉积金属银的稀土气凝胶粉；
（S.3）烧结成型：将表面沉积金属银的稀土气凝胶粉经8MPa的单轴压缩后得到板胚，然后将板胚在氮气保护下600℃烧结后得到光催化板。
实施例3
一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，所述方法包括以下本步骤：
（1）微氧化处理：向含有3000ppm多环芳香烃的废水中以1500mL/min的流量通入氧气3h，得到含氧废水；
（2）前处理液配制：向含氧废水中加入1500ppm的丙酮，得到前处理液；
（3）紫外光催化：将前处理液通入内部设置有多层光催化板的容器中，然后以254nm的紫外光辐照时间为30min后，得到降解废水，辐照强度为150uW/cm2。
光催化板的制备方法如下：
（S.1）含稀土气凝胶的制备：将四乙氧基硅烷以及稀土粉按照质量比100： 5加入到200份的无水乙醇中，加入盐酸调节溶液pH至为3.5，后，搅拌反应40min后
，静置升温至70℃，老化3h后得到湿溶胶，然后在超临界温度为280℃，超临界压力为8MPa的条件下超临界处理后得到稀土气凝胶；
（S.2）表面沉积金属银：将稀土气凝胶粉碎后按照质量比35:100向加入到银氨溶液中，混合均匀后向其中滴入质量分数为30%的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为100： 0.5， 65℃水浴搅拌一定时间后过滤干燥，得到表面沉积金属银的稀土气凝胶粉；
（S.3）烧结成型：将表面沉积金属银的稀土气凝胶粉经12MPa的单轴压缩后得到板胚，然后将板胚在氮气保护下850℃烧结后得到光催化板。
实施例4
一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，所述方法包括以下本步骤：
（1）微氧化处理：向含有1500ppm多环芳香烃的废水中以1200mL/min的流量通入氧气1h，得到含氧废水；
（2）前处理液配制：向含氧废水中加入500ppm的丙酮，得到前处理液；
（3）紫外光催化：将前处理液通入内部设置有多层光催化板的容器中，然后以254nm的紫外光辐照时间为15min后，得到降解废水，辐照强度为140uW/cm2。
光催化板的制备方法如下：
（S.1）含稀土气凝胶的制备：将四乙氧基硅烷以及稀土粉按照质量比100：2加入到180份的无水乙醇中，加入盐酸调节溶液pH至为2.5，后，搅拌反应25min后
，静置升温至68℃，老化1.5h后得到湿溶胶，然后在超临界温度为255℃，超临界压力为5.5MPa的条件下超临界处理后得到稀土气凝胶；
（S.2）表面沉积金属银：将稀土气凝胶粉碎后按照质量比30:100向加入到银氨溶液中，混合均匀后向其中滴入质量分数为25%的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为100：0.3，60℃水浴搅拌一定时间后过滤干燥，得到表面沉积金属银的稀土气凝胶粉；
（S.3）烧结成型：将表面沉积金属银的稀土气凝胶粉经10MPa的单轴压缩后得到板胚，然后将板胚在氮气保护下750℃烧结后得到光催化板。
实施例5
一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，所述方法包括以下本步骤：
（1）微氧化处理：向含有2500ppm多环芳香烃的废水中以1450mL/min的流量通入氧气2.5h，得到含氧废水；
（2）前处理液配制：向含氧废水中加入650ppm的丙酮，得到前处理液；
（3）紫外光催化：将前处理液通入内部设置有多层光催化板的容器中，然后以254nm的紫外光辐照时间为28min后，得到降解废水，辐照强度为150uW/cm2。
光催化板的制备方法如下：
（S.1）含稀土气凝胶的制备：将四乙氧基硅烷以及稀土粉按照质量比100：4加入到150份的无水乙醇中，加入盐酸调节溶液pH至为2，后，搅拌反应30min后
，静置升温至70℃，老化1h后得到湿溶胶，然后在超临界温度为260℃，超临界压力为5.5MPa的条件下超临界处理后得到稀土气凝胶；
（S.2）表面沉积金属银：将稀土气凝胶粉碎后按照质量比20:100向加入到银氨溶液中，混合均匀后向其中滴入质量分数为20~30%的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为100：0.4，60℃水浴搅拌一定时间后过滤干燥，得到表面沉积金属银的稀土气凝胶粉；
（S.3）烧结成型：将表面沉积金属银的稀土气凝胶粉经10MPa的单轴压缩后得到板胚，然后将板胚在氮气保护下780℃烧结后得到光催化板。
对比例1
对比例1中的方案与实施例1相比没有在含有多环芳香烃的废水中添加丙酮，其余条件相同。
对比例2
对比例2中的方案与实施例1相比没有在含有多环芳香烃的废水中添加丙酮，同时只提供紫外光照，辐照强度为220uW/cm2，但没有多层光催化板，其余条件一致。
将实施例1与对比例1以及对比例2进行实时监测，记录废水中多环芳香烃的浓度，得到如图1中的多环芳香烃的浓度时间曲线，从图中可知，本发明实施例1中仅仅在刚开始4分钟左右分解速率并大幅提升，在14分钟后开始减慢分解速度，到了20分钟后废水中多环芳香烃的浓度已经降至50ppm，分解率达到97.5%。而对比例1中由于未加入丙酮，从而多环芳香烃的分解速率降低，直到第六分钟后分解速率才开始加快，同时到20分钟后多环芳香烃的浓度已经接近550ppm，分解率为72.5%。而对比例2虽然提高了紫外光辐照强度，但是其分解速率较慢，20分钟仅仅只分解了不到20%。因而表明本发明通过加入丙酮以及光催化板能够加快多环芳香烃的分解。
Claims (8)
1.一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）微氧化处理：向含有多环芳香烃的废水中通入氧气一定时间，得到含氧废水；
（2）前处理液配制：向含氧废水中加入一定量的丙酮后，得到前处理液；
（3）紫外光催化：将前处理液通入内部设置有多层光催化板的容器中，然后对容器中照射紫外光一定时间，得到降解废水；
所述光催化板表面含有一定量的金属银以及稀土元素；
所述步骤（2）中丙酮含量为300~1500ppm；
所述光催化板的制备包括以下步骤：
（S.1）含稀土气凝胶的制备：将四乙氧基硅烷、稀土粉、酸催化剂以及无水乙醇溶剂搅拌混合后，静置升温老化后得到湿溶胶，超临界处理后得到稀土气凝胶；
（S.2）表面沉积金属银：将稀土气凝胶粉碎后加入到银氨溶液中，混合均匀后向其中滴入葡萄糖溶液，水浴搅拌一定时间后过滤干燥，得到表面沉积金属银的稀土气凝胶粉；
（S.3）烧结成型：将表面沉积金属银的稀土气凝胶粉经单轴压缩后得到板胚，然后将板胚高温烧结后得到光催化板；
所述烧结温度为 600~850℃。
2.根据权利要求1所述一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其特征在于，所述步骤（1）中氧气通入量为500~1500mL/min，通氧时间为0.5~3h。
3.根据权利要求1所述一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其特征在于，所述步骤（S.1）中四乙氧基硅烷与稀土粉的质量比为100：（1~5），所述酸催化剂调节溶液pH至为2~3.5，搅拌反应20~40min。
4.根据权利要求1所述一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其特征在于，所述步骤（S.1）稀土粉按照那个重量份数计包括氧化铈20~35份、氧化铕10~15份、氧化镧10~15份以及氧化镱3~8份。
5.根据权利要求1所述一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其特征在于，所述步骤（S.1）中老化温度为65~70℃，老化时间为1~3h，所述超临界温度为250~280℃，超临界压力为5~8MPa。
6.根据权利要求1所述一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其特征在于，所述步骤（S.2）中稀土气凝胶与银氨溶液的质量比为（10~35）:100，所述葡萄糖溶液的质量分数为20~30%，所述银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为100：（0.2~0.5），所述水浴温度为60~65℃。
7.根据权利要求1所述一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其特征在于，所述步骤（S.3）中单轴压缩压力为8~12MPa，烧结气氛为氮气。
8.根据权利要求1所述一种丙酮强化光降解废水中多环芳香烃的方法，其特征在于，所述步骤（3）紫外光发射波长为254nm，辐照强度为120~150μ W/cm2，辐照时间为10~30min。
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