CN111717959A - 一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法。包括以下步骤：将四环素溶液置于水力空化装置，通过循环系统对四环素溶液进行水力空化处理，所述水力空化装置包括有：水箱、循环管、水泵、压力表、流量计、文丘里管等。四环素溶液进行水力空化降解的工艺条件是：进口压力0.1～0.5MPa，初始浓度为5～20mg/L，处理温度控制在35～45℃，处理时间为30～150min。本发明是利用水力空化技术降解水中四环素，该方法处理成本低，操作简单，无二次污染，降解率可达80％以上。

Description

一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法
技术领域
本发明涉及水力空化领域，特别涉及一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法。
背景技术
四环素类抗生素因其低廉的价格和广谱的杀菌性能而被广泛地应用于治疗和预防人畜疾病，是全世界生产和使用的第二个最常见的抗生素类药物。因此，它不断通过地表径流、渗透等方式进入水体或土壤中。虽然四环素在水体中浓度较低，但是残留的四环素仍会对生态系统和人类健康构成潜在威胁，例如：产生耐药细菌、影响环境中微生物、破坏生态平衡、威胁人类健康等。此外，由于苯环稳定的骨架结构和高亲水性，所以四环素类药物具有生物难降解性，在水环境中难以被破坏，易于富集。已经有很多传统方法去除四环素，但是由于各种原因，效率不高。因此，开发快速高效降解四环素类药物的有效技术具有重要意义。
水力空化是一种很有前途的技术。空化是气泡在液体介质中形成、生长、溃灭的现象。空化过程中气泡破裂产生局部的高温高压瞬变热点，还可以产生高速微射流和强烈的冲击波，引起水和挥发性污染物分子的裂解，产生·OH、·H、·HO2和H2O2等自由基，极性难挥发溶质可在该区域内发生氧化从而达到降解有机污染物的目的。根据伯努利原理，速度的增加会导致静压的减小。只有当局部压力下降到低于液体饱和蒸汽压的某一点时才会发生空化现象，这可以通过调整收缩的几何参数来实现。在液体介质中，可以通过在流体中引入收缩装置使液体受到速度变化的影响来诱导空化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种利用水力空化技术降解四环素类抗生素废水的方法，该方法处理成本低，操作简单，无二次污染，降解率可达80％以上。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，包括以下步骤：将四环素溶液置于水力空化装置中，通过循环对四环素类溶液进行水力空化处理降解四环素，调节进口压力0.1～0.5MPa，控制处理温度控制为35～45℃，处理时间为30～150min；所述的水力空化装置的结构如下：水箱连接有进水管，进水管的另一端与水泵连接，水泵的另一端通过连通管依次与流量计、入口压力表、文丘里管、出口压力表、出口阀门、水箱顶部连接。
上述的一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，水泵出口处与水箱之间设有副线连接管，副线连接管上设有阀门。
上述的一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，所述文丘里管由收缩段、喉部、扩散段组成，入射半角α为20～24°，收缩段为20mm，喉部长度为0～4mm，发散半角β为4～8°，扩散段为70mm，喉部形状为圆形。
上述的一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，所用的四环素类抗生素为盐酸四环素。
上述的一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，所述的盐酸四环素的浓度为5-20mg/L。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的水力空化装置是以机械能的方式提供反应所需能量，具有反应条件温和、操作简单、工艺流程短、节能减排、绿色环保、过程易控制、易实现工业化等优点；
2.本发明通过水力空化装置降解四环素，降解效果显著，相比化学氧化法降解四环素，不需投加其他氧化剂，不会产生二次污染，且成本低廉。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明的水力空化装置示意图。
图2是文丘里管示意图。
图3是文丘里管入射半角对水力空化降解四环素的影响。
图4是文丘里管喉部长度对水力空化降解四环素的影响。
图5是文丘里管发散半角对水力空化降解四环素的影响。
图6是入口压力对水力空化降解四环素的影响。
图7是四环素的初始浓度对水力空化降解四环素的影响。
图8是地表水中常见阴离子对水力空化降解四环素的影响。
附图标记说明如下：包括1、水箱；2、进水管；3、水泵；4、连通管；5、流量计；6、入口压力表；7、文丘里管；7-1、收缩段；7-2、喉部；7-3、扩散段；8、出口压力表；9、出口阀门；10、阀门；11、副线连接管。
具体实施方式
为使本发明的目的；技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，包括以下步骤：将四环素溶液置于水力空化装置，通过循环系统对四环素溶液进行水力空化处理，所述水力空化装置包括进水管2和通过连通管4依次连接的水箱1、水泵3、流量计5、入口压力表6、文丘里管7、出口压力表8、出口阀门9，和用来调节副线的出水管的水流的阀门10，以控制入口压力，如图1所示。所述文丘里管7由收缩段、喉部、扩散段组成，入射半角α为20～24°，收缩段为20mm，喉部长度为0～4mm，发散半角β为4～8°，扩散段为70mm，喉部形状为圆形，如图2所示。
水力空化降解水中四环素的工艺流程是：将配置好的5L四环素溶液放入水箱1内，控制温度在35～45℃，四环素溶液通过水泵3输送到文丘里管中进行水力空化降解，通过阀门9控制副线以调节进口压力，通过压力表6监控压力，通过流量计5监控流量，通过阀门9调节出口压力表8的压力，经文丘里管降解后的四环素溶液回流到水箱1中。
本方法采用的水力空化装置的创新之处在于首次提出在尾部安装阀门9来控制出口压力，并通过压力表8观测，通过改善出口压力可找到最佳空化压力，提高空化降解效果。
四环素溶液进行水力空化降解的工艺条件是：进口压力0.1～0.5MPa，初始浓度为5～20mg/L，处理温度控制在35～45℃，处理时间为30～150min。
使用紫外分光光度计对四环素的降解率进行检测，每隔30min取一次四环素样品，为保证实验数据的准确性，实验重复三次。通过检测到的样品吸光度来确定四环素的降解率，公式如下：
四环素降解率(％)＝(C0-Ct)/C0×100％
C0(mg/L)：四环素的初始浓度的吸光度
Ct(mg/L)：反应一段时间后四环素的瞬时浓度的吸光度
各实施例中，水箱体积为5.0L，泵3的扬程为60m，转速为2860r/min，水箱的体积及泵的具体参数还可以根据实际情况来确定。
实施例1文丘里管入射半角对水中四环素降解率的影响
所述的水力空化装置的结构如下：水箱1的下方设有进水管2，进水管2的另一端与水泵3连接，水泵3的另一端通过连通管4依次与流量计5、入口压力表6、文丘里管7、出口压力表8、出口阀门9、水箱1顶部连接。水泵3出口处与水箱1之间设有副线连接管11，副线连接管11上设有阀门10。
文丘里管7的参数为：文丘里管7入射半角分别设为20°、22°、24°，喉部长度为2mm，发散半角β为6°，收缩段为20mm，扩散段为70mm，喉部形状为圆形。
将5L盐酸四环素置于水箱1中，四环素初始浓度为10mg/L，开启出口阀门9，关闭阀门10，开启水泵3，设置入口压力为0.3MPa，调节温度在35～45℃范围内。循环运行150min。
降解率如图3所示，结果显示入射半角为22°的文丘里管实现了最好的四环素降解率，水力空化循环150min时，四环素的降解率达到了82.22％。
实施例2文丘里管喉部长度对水中四环素降解率的影响
所述的水力空化装置的结构如下：水箱1的下方设有进水管2，进水管2的另一端与水泵3连接，水泵3的另一端通过连通管4依次与流量计5、入口压力表6、文丘里管7、出口压力表8、出口阀门9、水箱1顶部连接。水泵3出口处与水箱1之间设有副线连接管11，副线连接管11上设有阀门10。
文丘里管的参数为：文丘里管喉部长度分别为0mm、2mm、4mm，入射半角α为22°，发散半角β为6°，收缩段为20mm，扩散段为70mm，喉部形状为圆形。
将5L盐酸四环素置于水箱1中，四环素初始浓度为10mg/L，开启出口阀门9，关闭阀门10，开启水泵3，设置入口压力为0.3MPa，调节温度在35～45℃范围内。循环运行150min。
降解率如图4所示，结果显示喉部长度为2mm的文丘里管降解效果最好，150min时，四环素的降解率最高达到了82.22％。
实施例3文丘里管发散半角对水中四环素降解率的影响
所述的水力空化装置的结构如下：水箱1的下方设有进水管2，进水管2的另一端与水泵3连接，水泵3的另一端通过连通管4依次与流量计5、入口压力表6、文丘里管7、出口压力表8、出口阀门9、水箱1顶部连接。水泵3出口处与水箱1之间设有副线连接管11，副线连接管11上设有阀门10。
文丘里管的参数为：文丘里管发散半角分别为4°、6°、8°，入射半角α为22°，喉部长度为2mm，收缩段为20mm，扩散段为70mm，喉部形状为圆形。
将5L盐酸四环素置于水箱1中，四环素初始浓度为10mg/L，开启出口阀门9，关闭阀门10，开启水泵3，设置入口压力为0.3MPa，调节温度在35～45℃范围内。循环运行150min。
降解率如图5所示，结果显示发散半角为6°的文丘里管实现了最好的四环素降解率，达到了67％。
实施例4入口压力对水中四环素降解率的影响
所述的水力空化装置的结构如下：水箱1的下方设有进水管2，进水管2的另一端与水泵3连接，水泵3的另一端通过连通管4依次与流量计5、入口压力表6、文丘里管7、出口压力表8、出口阀门9、水箱1顶部连接。水泵3出口处与水箱1之间设有副线连接管11，副线连接管11上设有阀门10。
文丘里管的参数为：入射半角α为22°，喉部长度为2mm，发散半角β为6°，收缩段为20mm，扩散段为70mm，喉部形状为圆形。
将5L盐酸四环素置于水箱1中，四环素初始浓度为10mg/L，开启出口阀门9，关闭阀门10，开启水泵3，设置入口压力为0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa，调节温度在35～45℃范围内。循环运行150min。
降解率如图6所示，结果显示入口压力为0.3MPa时，四环素的降解率最高达到了82.22％，水力空化降解四环素的效果最好。
实施例5四环素初始浓度对水中四环素降解率的影响
所述的水力空化装置的结构如下：水箱1的下方设有进水管2，进水管2的另一端与水泵3连接，水泵3的另一端通过连通管4依次与流量计5、入口压力表6、文丘里管7、出口压力表8、出口阀门9、水箱1顶部连接。水泵3出口处与水箱1之间设有副线连接管11，副线连接管11上设有阀门10。
文丘里管的参数为：入射半角α为22°，喉部长度为2mm，发散半角β为6°，收缩段为20mm，扩散段为70mm，喉部形状为圆形。
将5L盐酸四环素置于水箱1中，四环素初始浓度分别设置为5mg/L、10mg/L、20mg/L，开启出口阀门9，关闭阀门10，开启水泵3，设置入口压力为0.3MPa，调节温度在35～45℃范围内。循环运行150min。
降解率如图7所示，结果显示150min时，四环素初始浓度为5mg/L时，四环素的降解率最高，达到了83.17％。
实施例6地表水中常见阴离子对水中四环素降解率的影响
所述的水力空化装置的结构如下：水箱1的下方设有进水管2，进水管2的另一端与水泵3连接，水泵3的另一端通过连通管4依次与流量计5、入口压力表6、文丘里管7、出口压力表8、出口阀门9、水箱1顶部连接。水泵3出口处与水箱1之间设有副线连接管11，副线连接管11上设有阀门10。
文丘里管的参数为：入射半角α为22°，喉部长度为2mm，发散半角β为6°，收缩段为20mm，扩散段为70mm，喉部形状为圆形。
将5L含有盐酸四环素的废水置于水箱1中，四环素初始浓度为10mg/L，碳酸盐、硫酸盐及硝酸盐的浓度皆为10mg/L，开启出口阀门9，关闭阀门10，开启水泵3，设置入口压力为0.3MPa，调节温度在35～45℃范围内。循环运行150min。
降解率如图8所示，结果显示CO3 2-的存在，会促进水力空化降解四环素，150min时，四环素的降解率为94.22％；而SO4 2-和NO3 -的存在会抑制水力空化降解四环素，150min时的四环素降解率分别为62.79％、55.95％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：将四环素溶液置于水力空化装置中，通过循环对四环素类溶液进行水力空化处理降解四环素，调节进口压力0.1～0.5MPa，控制处理温度控制为35～45℃，处理时间为30～150min；所述的水力空化装置的结构如下：水箱(1)连接有进水管(2)，进水管(2)的另一端与水泵(3)连接，水泵(3)的另一端通过连通管(4)依次与流量计(5)、入口压力表(6)、文丘里管(7)、出口压力表(8)、出口阀门(9)、水箱(1)顶部连接。
2.根据权利要求1所述的一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，其特征在于，水泵(3)出口处与水箱(1)之间设有副线连接管(11)，副线连接管(11)上设有阀门(10)。
3.根据权利要求1所述的一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，其特征在于，所述文丘里管(7)由收缩段(7-1)、喉部(7-2)、扩散段(7-3)组成，入射半角α为20～24°，收缩段(7-1)为20mm，喉部(7-2)长度为0～4mm，发散半角β为4～8°，扩散段(7-3)为70mm，喉部形状为圆形。
4.根据权利要求1所述的一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，其特征在于，所用的四环素类抗生素为盐酸四环素。
5.根据权利要求4所述的一种水力空化降解四环素类抗生素废水的方法，其特征在于，所述的盐酸四环素的浓度为5-20mg/L。
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