CN115385415B - 以废治废降解有机废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以废治废降解有机废水的方法,包括以下步骤:①有机废水和含光敏剂废水中成分和含量的确定;②将含有光敏剂的废水与有机废水混合,进行太阳光照,测试有机物和光敏剂的浓度变化;③判断降解机理;④确定光敏化反应最佳pH值;⑤确定光敏化反应最佳氧气浓度;⑥在步骤①至步骤⑤的基础上,确定两种废水以废治废的反应条件,在该条件下进行废水的处理。本发明的以废治废降解有机废水的方法,利用某些例如化工、造纸厂产生的废水中的芳香羰基类化合物、芳香酮类化合物、类腐殖酸、丙酮酸等作为光敏剂,在自然光照射下产生具有强氧化性、选择性的有机三重激发态自由基和其他活性氧化性物种,达到快速降解有机废水的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光化学与环境污染控制领域,具体涉及一种以废治废降解有机废水的方法。
背景技术
芳香化合物和酚类化合物是很多工业生产包括药物、香料、有机溶剂、农药中不可缺少的原料, 因此芳香化合物与酚类化合物存在多个行业生产产生的有机废水之中,例如焦化废水、印染废水、造纸废水、垃圾填埋场渗滤液和医药废水中的芳香化合物与酚类化合物的含量非常高。
芳香化合物与酚类化合物对人类、水产、农作物都具有很大的危害性,由于它们性质非常稳定、可生化性差, 因此常规的生物处理、物理处理方法很难将其无害化处理。
UV/H2O2、UV/Fenton、UV/O3等光化学氧化法对难降解废水具有一定的效果。如中国专利文献CN110683609A公开了一种乙醛强化光降解废水中的多环芳香烃的方法,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加入一定量的双氧水搅拌一定时间后,得到微氧化废水;(2)前处理液配制:向微氧化废水中加入一定量的乙醛溶液后,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铜氧化物以及稀土元素。但外加氧化剂等化学试剂及UV光源的使用使得处理能耗和处理成本较高,工业化应用中还有很多问题需要解决,使得工业化应用受到一定限制。
中国专利文献CN112047423A公开了一种多环芳烃废水的光动力降解方法,在废水中加入光敏剂,然后利用LED光源进行照射;所述光敏剂为姜黄素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种以废治废降解有机废水的方法,为两种废水确定高效以废治废的条件,从而在该条件下进行以废治废。
实现本发明第一目的的技术方案是一种以废治废降解有机废水的方法,将含光敏剂废水与有机废水混合,进行太阳光照;所述含光敏剂的废水指的是含有芳香羰基类化合物、芳香酮类化合物、类腐殖酸或丙酮酸等中一种或一种以上光敏剂的废水,所述有机废水是含芳香化合物和/或酚类化合物的有机废水。
作为可选的,光敏剂与芳香烃和/或酚类的质量比低于1:20。
进一步的,含光敏剂废水与有机废水混合后,调节pH值为3~8。
作为可选的,含光敏剂废水与有机废水混合并调节pH值后,进行太阳光照30~120min。
实现本发明第二目的的技术方案是一种以废治废降解有机废水的方法,包括以下步骤:
①有机废水和含光敏剂废水中成分和含量的确定;所述有机废水是含芳香化合物和/或酚类化合物的有机废水,含光敏剂的废水指的是含有芳香羰基类化合物、芳香酮类化合物、类腐殖酸或丙酮酸等中一种或一种以上光敏剂的废水。
②测试有机物和光敏剂的变化;将含有光敏剂的废水与有机废水混合,在太阳光、空气条件下光照降解,光照过程分时采用HPLC、GC-MS检测水中有机物和光敏剂浓度变化。
若芳香化合物和/或酚类化合物的量较步骤①的测量值明显下降,说明该种含光敏剂废水能够降解有机废水中的芳香化合物和/或酚类化合物,继续下一步骤;若芳香化合物和/或酚类化合物的量基本无变化,判断该种含光敏剂废水不能够降解该有机废水中的芳香化合物和/或酚类化合物,需要换一种含光敏剂的废水。
若光敏剂含量无明显变化,判断使用含有该光敏剂的废水在降解过程不需要补充光敏剂;若光敏剂含量下降明显,判断使用含有该光敏剂的废水在降解过程需要补充光敏剂。
③在步骤②确定选用的含光敏剂的废水能够降解有机废水后,判断降解机理。
若步骤②光敏剂降解率超过10%,步骤③中确定3C*的贡献最大,则反应过程中补加含光敏剂废水。
④确定光敏化反应最佳pH值;以pH值为变量,其他条件为定量,根据有机废水降解结果确定最佳pH。
⑤确定光敏化反应最佳氧气浓度;以溶解氧浓度为变量,其他条件为定量,根据降解结果确定最佳溶解氧浓度。
⑥在步骤①至步骤⑤的基础上,确定两种废水以废治废的反应条件,在该条件下进行废水的处理。
步骤②中,光敏剂与芳香烃和/或酚类的质量比低于1:20;步骤⑥确定的反应条件中光敏剂与芳香烃和/或酚类的质量比低于1:20。
步骤②中,含有光敏剂的废水与有机废水混合后,调节溶液的pH值为3~8,降解30~120min。
在步骤②光敏剂的量明显下降,步骤③中确定3C*的贡献最大的情况下,根据光敏剂消耗速率,反应过程不定时补加含光敏剂废水。
步骤③中,通过以下步骤判断降解机理:
(1)通过添加猝灭剂研究活性氧化物种在光降解过程中的贡献,选择猝灭剂猝灭不同的活性氧化物种,根据有无猝灭剂时有机物的降解速率变化来计算各ROS的相对贡献。
(2)用电子顺磁共振EPR光谱仪检测光化学反应中产生的•OH、O2 •-和1O2等自由基浓度。
(3)根据上述结果确定反应过程中哪一种氧化剂的贡献最大。
本发明具有积极的效果:(1)本发明的以废治废降解有机废水的方法,是利用某些例如化工、造纸厂产生的废水中的芳香羰基类化合物、芳香酮类化合物、类腐殖酸、丙酮酸等作为光敏剂,在自然光照射下产生具有强氧化性、选择性的有机三重激发态自由基(3C*)和其他活性氧化性物种(ROS),达到快速降解有机废水的目的。
在光敏反应中,至少有一半的三重态分子具有250 kJ/mol以上的能量,而这个能量足以让多环芳烃、杂环芳香化合物、酚类化合物等发生转变。为此,本发明采用含光敏剂废水降解芳香烃废水、含酚废水效果好,达到以废治废的目的。本发明为光化学降解有机废水的可持续发展提供了一种新的、有意义的、全方位的探索途径。
(2)本发明利用废水中自带的光敏剂对难降解的芳香烃废水、含酚废水进行常温常压下的降解,具有工艺简单、废水处理成本低的特点,可以达到以废治废的效果。
本发明从光敏化反应原理出发,确定了含有光敏剂的废水和待降解的有机废水达到高效以废治废的条件,也给出如何确定反应条件的方法,实现光敏化反应在实际废水治理的应用。
附图说明
图1为实施例1中不同光照时间下DMB和萘的浓度变化曲线。
图2为实施例1中不同pH值下萘的降解率统计图。
图3为实施例1中不同溶解氧浓度下萘的降解率统计图。
图4为实施例2中五种酚降解曲线图。
图5为对比例中光敏剂和双氧水组的降解曲线图。
具体实施方式
在以下的描述中,有机物指的是芳香化合物或酚类化合物,有机废水指的是含芳香化合物和/或酚类化合物的有机废水;含光敏剂的废水指的是含有芳香羰基类化合物、芳香酮类化合物、类腐殖酸或丙酮酸等中一种或一种以上光敏剂的废水。
(实施例1)
本实施例的以废治废降解有机废水的方法包括以下步骤:
①有机废水和含光敏剂废水中成分和含量的确定。
对于待处理的含芳香化合物和/或酚类化合物的有机废水,采用HPLC、GC-MS检测废水中有机物成分和含量。
有机废水包括多环芳烃、杂环芳烃、酚类化合物等,例如具体包括9,10-二苯基蒽,萘、苊、芴、菲、荧蒽、吡啶,喹啉,吲哚,噻吩、苯酚,甲氧基苯酚,4-乙基苯酚,三甲基酚和丁香酚等中的一种或一种以上。
对于化工、造纸厂产生的含有芳香羰基类化合物、芳香酮类化合物、类腐殖酸或丙酮酸等光敏剂的废水,采用HPLC、GC-MS检测废水中光敏剂的成分和含量。
光敏剂包括3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)、二苯甲酮(BP)、3-甲氧基苯乙酮(3-MAP)、2-乙酰萘(2-ANP)等。不同光敏剂,其三线态具有的能量各不相同,例如BP的E00为3.00eV,3-MAP为3.14 eV,2-ANP为2.58 eV,为此能激发降解的有机废水种类和效果不同。
本实施例中有机废水是含萘废水;含光敏剂的废水中光敏剂为3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)。
②测试有机物和光敏剂的浓度变化。
将含有光敏剂的废水(光敏剂浓度范围5~20 mg/L)与有机废水(芳香化合物和/或酚类化合物的浓度100~500 mg/L)混合,进行太阳光照,光照过程分时采用HPLC、GC-MS检测水中有机物和光敏剂的浓度。
含有光敏剂的废水中有机物含量比较低,含有光敏剂的废水与有机废水中芳香烃/酚类的质量浓度比控制在低于1:20,光敏化剂更多的效果是作为光促进剂,这样其在溶液中的浓度对整体TOC的影响比较小,可以忽略掉。
若芳香化合物和/或酚类化合物的浓度较初始浓度明显下降,说明该种含光敏剂废水能够降解有机废水中的芳香化合物和/或酚类化合物,继续下一步骤;若芳香化合物和/或酚类化合物的浓度较初始浓度基本无变化,判断该种含光敏剂废水不能够降解该有机废水中的芳香化合物和/或酚类化合物,需要换一种含光敏剂的废水。
在降解过程中,若光敏剂浓度无明显变化,判断使用含有该光敏剂的废水在降解过程不需要补充光敏剂;若光敏剂浓度下降明显,判断使用含有该光敏剂的废水在降解过程需要补充光敏剂。
具体的,对于上述含萘废水和含3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)的废水,配制两种废水的浓度,将浓度为10mg/L的3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)废水500mL,加入到500mL浓度为200mg/L的模拟含萘废水,调节pH值为3,采用模拟太阳光进行降解。光照10min、30min、60min、90min、120min取样分析,测定DMB和萘的浓度。
DMB用HPLC测定条件:C18(150 mm×4.6 mm,5.0 μm)分离柱,柱温:45℃;流动相为乙腈和水的混合流动相(v/v,60:40),流速为0.6mL/min;样品进样量为10 μL。
萘用固相萃取法萃取,用正己烷洗脱定容后,用GC-MS测定。测定条件:色谱柱为Agilent DB-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);载气为氮气,检测器尾吹25 mL•min‒1,不分流进样1 μL,进样口200°C,40°C起始(保持2 min),以10°C •min‒1的速率升至100°C(保持1 min),再20°C •min‒1升至250 °C(保持30 min)。MS条件:EI源,电离电压70eV,离子源温度230 °C,四级杆温度150°C,全扫描模式用于定性分析,扫描范围40~350,选择离子检测(SIM)模式用于定量分析。
用HPLC、GC-MS分析了不同光照时间下DMB和萘的浓度,其降解率见图1。由图可知,120min时,DMB降解了30.3%,而萘降解了91.2%。说明含3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)的废水能有效降解含萘废水。
③确定光敏剂降解有机物的机理。在步骤②确定选用的含光敏剂的废水能够降解有机废水后,判断降解机理。
(1)通过添加适当的猝灭剂研究活性氧化物种(ROS)在光降解过程中的贡献,选择猝灭剂猝灭不同的ROS,根据有无猝灭剂时有机物的降解速率来计算各ROS的贡献。
(2)使用电子顺磁共振(EPR光谱仪)检测光化学反应中产生的•OH、O2 •-和1O2等自由基浓度。
EPR的原理是基于自由基与自旋陷阱反应产生自旋加合物,根据特征峰的性质确定自由基的类型。自旋剂通常是抗磁性化合物,常见的包括亚硝基有机化合物和氮氧化物有机化合物,其中,5,5-二甲基-1-吡咯烷N-氧化物(DMPO)和2,2,6,6-四甲基哌啶(TEMP)是应用最广泛的。
采用EPR光谱仪检测光化学反应中产生的•OH、O2 •-和1O2,通过DMPO作为自旋阱形成稳定的DMPO-·OH或DMPO-O2 •-,TEMP捕获1O2生成TEMPO-1O2自旋加合物(TEMPO);根据四等分线的高度比为1:2:2:1是DMPO-·OH,1:1:1:1为DMPO-O2 •-和1:1:1是TEMP-1O2定性三种自由基并定量其浓度。
具体的,将浓度为10mg/L的3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)废水500mL,加入到500mL浓度为200 mg/L的模拟含萘废水,调节pH值为3,采用模拟太阳光进行降解。
降解过程中,分别外加四种猝灭剂叔丁醇(TBA)、叠氮化钠(NaN3)、超氧化物歧化酶(SOD)、2,4,6-三甲酚(TMP)分别猝灭·OH、1O2、O2 •−、3C*,研究不同猝灭剂条件下芳香烃的降解效果,评价光敏化反应中ROS的相对贡献。TBA、NaN3、SOD、TMP四种猝灭剂的投加量分别为4mmol/L、0.4 mmol/L、20 mg/L和1mmol/L。另外,通过EPR测定单线态氧和OH自由基的稳态浓度,进一步分析了ROS在芳香烃降解过程中的作用。结果见表1。
表1 外加猝灭剂对萘的反应速率常数的影响
表1为四种猝灭剂分别在最适猝灭浓度下通过一级动力学方程ln(Ct/C0)=-kt计算的相应猝灭剂的一级速率反应常数。与未加猝灭剂体系(k=5.18×10-4 s-1)相比,外加TBA、SOD对萘降解有一定的抑制作用(kTBA/k=0.49、kSOD/k=0.43),表明·OH和O2·-在光降解中有不可忽略的作用。而外加NaN3、TMP体系的一级速率反应常数分别下降到1.72×10-4s-1、0.79×10-4 s-1,说明反应过程中3C*和1O2两者都是重要的氧化剂,并且3C*的贡献大于1O2。
理论上来说,光敏剂降解含芳香烃/酚类化合物废水时,不同体系中,光敏剂消耗量不一样,与反应原理有很大关系。一种是光敏剂通过从芳香烃/酚上摘H产生诱导性羰基化合物,芳香烃变成有机自由基,随后进一步氧化为CO2等,光敏剂从诱导性羰基化合物被体系中的O2进一步氧化(-HO2(+O2))后返回初始状态,这种情况下,光敏剂本身并不消耗,达到自催化的效果,成本低。另一种情况是三线态光敏剂R与基态光敏剂R借助电子或H转移反应,形成R-•和R+•,光敏剂被消耗了一部分。
本步骤发现3C*贡献较大,三线线态光敏剂R与基态光敏剂R借助电子或H转移反应,形成R-•和R+•,光敏剂会被消耗一部分,这与步骤②DMB降解了30.3%相一致。
在光敏剂会降解的情况下,根据光敏剂消耗速率,反应过程不定时补加含光敏剂废水。
④确定光敏化反应最佳pH。
按照将浓度为10mg/L的3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)废水500mL加入到500mL浓度为200 mg/L的模拟含萘废水中的方式,配制5组混合溶液;分别将混合溶液的pH值调节为2、3、5、7、9,采用模拟太阳光降解120min,结果见图2。5个pH值条件下,随着pH值升高,芳香烃废水反应120min后的萘降解效果依次降低,分别为92.7%、91.2%、84.6%、79.6%、73.8%。
考虑到工业含光敏剂的酸性废水的pH值也不可能特别低,因此建议调整pH值为3进行废水降解比较合适。
⑤确定光敏化反应最佳氧气浓度。
按照将浓度为10mg/L的3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)废水500mL加入到500mL浓度为200 mg/L的模拟含萘废水中的方式,配制6组混合溶液,调节溶液pH值为3,采用模拟太阳光降解120min,各组溶解氧浓度为10mg/L, 8mg/L, 6mg/L, 4mg/L, 2mg/L及无氧(N2饱和),测试萘的降解效果,结果见图3。随溶解氧浓度升高,萘降解效果先升高后下降,在溶解氧浓度为6mg/L时降解效果最好。因此将反应体系溶解氧浓度设定在6mg/L。也就是说,空气条件下降解效果最好。
⑥在步骤①至步骤⑤的基础上,确定含萘废水可以与含3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)废水混合后以废治废,并确定条件为:3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)的质量与萘的质量比控制在低于1:20,两种废水混合后pH值为3,空气条件、太阳光下降解120min;另外不定时补加含光敏剂的废水,例如在降解总时长的1/2时间点补加含3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)废水,投加的废水中3,4-二甲氧基苯甲醛(DMB)的质量为初始投加质量的1/5,萘降解率为95.3%。
(实施例2)
本实施例使用含二苯甲酮的废水以废治废降解含酚废水。
配制浓度为5 mg/L的含二苯甲酮的废水500mL,加入到500mL浓度为100mg/L的五种不同酚(苯酚,甲氧基苯酚,4-乙基苯酚,三甲基酚和丁香酚)废水中,调节pH值为3,太阳光下、空气条件下进行降解。分别降解10,20,30,40,50,60min后,测定二苯甲酮和五种酚浓度,对比相同光敏剂条件下,五种酚的降解效果。二苯甲酮和酚都采用HPLC测定。
如图4所示,五种酚降解效果不同,表现为甲氧基苯酚>丁香酚>苯酚>4-乙级苯酚>三甲基酚,反应60min降解率分别为91.5%、88.0%、82.4%、81.3%、80.1%。二苯甲酮剩余浓度在3.1~3.4mg/L,消耗了32%~38%。
在上述测试的基础上,确定以废治废的条件:保持上述条件不变,另外在30min时补加5 mg/L的含二苯甲酮的废水100mL,然后降解60min,甲氧基苯酚、丁香酚、苯酚、4-乙级苯酚、三甲基酚的降解率分别为93.3%、90.2%、85.2%、83.1%、81.5%。
(对比例)光敏化反应降解喹啉废水与H2O2光化学降解效果对比
以标准腐殖质物质美国乔治亚州萨旺尼河(SRFA)配置模拟光敏剂废水,用于降解含喹啉废水。配置浓度为10mg/L的含SRFA的废水500mL,加入到500mL浓度为200mg/L的模拟含喹啉废水,调节pH值为3,采用模拟太阳光进行降解。光照10min,30min,60min,90min,120min取样分析,用紫外分光光度计测定喹啉的浓度,用带蒸发光散射检测器的HPLC(HPLC-ELSD)分析类腐殖质(HULIS)浓度。相同的,配置相同浓度的H2O2溶液以产生OH自由基作为对比,重复上述实验步骤。以此来对比光敏化反应降解芳香烃废水与H2O2光化学降解废水的效果。
喹啉测定:用紫外可见分光光度计测定313nm处吸光度。
HULIS用HPLC测定条件:C18(150 mm×4.6 mm,5.0 μm)分离柱,柱温:45℃;流动相为乙腈和水的混合流动相(v/v,80:20),等度洗脱,流速为0.6mL/min;样品进样量为60μL。ELSD的操作条件:N2流速1.5 L/min,漂移管温度80℃~90 ℃,GAIN设定为6。
H2O2测定:用碘量法测定溶液中H2O2含量。
结果如图5所示,可见光敏化反应对含芳香烃废水降解更为迅速处理效果更好,在反应进行到120min时,两组降解率分别为91.5%、73.6%。经过光敏剂与H2O2剩余含量的测定,光敏剂消耗了31.3%,而H2O2消耗了90.2%,可见在降解反应120min,相比光敏化反应,H2O2自身消耗很多,再次光反应需要重新投加H2O2,因此处理成本较大。
Claims (5)
1.一种以废治废降解有机废水的方法,其特征在于:将含光敏剂废水与有机废水混合,进行太阳光照;所述含光敏剂的废水指的是含有芳香羰基类化合物、芳香酮类化合物、类腐殖酸或丙酮酸中一种或一种以上光敏剂的废水,所述有机废水是含芳香化合物和/或酚类化合物的有机废水;包括以下步骤:
①有机废水和含光敏剂废水中成分和含量的确定;
②测试有机物和光敏剂的变化;将含有光敏剂的废水与有机废水混合,在太阳光、空气条件下光照降解,光照过程分时检测水中有机物和光敏剂浓度变化;
若芳香化合物和/或酚类化合物的量较步骤①的测量值明显下降,说明该种含光敏剂废水能够降解有机废水中的芳香化合物和/或酚类化合物,继续下一步骤;若芳香化合物和/或酚类化合物的量基本无变化,判断该种含光敏剂废水不能够降解该有机废水中的芳香化合物和/或酚类化合物,需要换一种含光敏剂的废水;
若光敏剂含量无明显变化,判断使用含有该光敏剂的废水在降解过程不需要补充光敏剂;若光敏剂含量下降明显,判断使用含有该光敏剂的废水在降解过程需要补充光敏剂;
③在步骤②确定选用的含光敏剂的废水能够降解有机废水后,判断降解机理;
若步骤②光敏剂降解率超过10%,步骤③中确定3C*的贡献最大,则反应过程中补加含光敏剂废水;
④确定光敏化反应最佳pH值;以pH值为变量,其他条件为定量,根据有机废水降解结果确定最佳pH;
⑤确定光敏化反应最佳氧气浓度;以溶解氧浓度为变量,其他条件为定量,根据降解结果确定最佳溶解氧浓度;
⑥在步骤①至步骤⑤的基础上,确定两种废水以废治废的反应条件,在该条件下进行废水的处理。
2.根据权利要求1所述的以废治废降解有机废水的方法,其特征在于:步骤②中,光敏剂与芳香烃和/或酚类的质量比低于1:20;步骤⑥确定的反应条件中光敏剂与芳香烃和/或酚类的质量比低于1:20。
3.根据权利要求1所述的以废治废降解有机废水的方法,其特征在于:步骤②中,含有光敏剂的废水与有机废水混合后,调节溶液的pH值为3~8,降解30~120min。
4.根据权利要求1所述的以废治废降解有机废水的方法,其特征在于:在步骤②光敏剂的量明显下降,步骤③中确定3C*的贡献最大的情况下,根据光敏剂消耗速率,反应过程不定时补加含光敏剂废水。
5.根据权利要求1所述的以废治废降解有机废水的方法,其特征在于:步骤③中,通过以下步骤判断降解机理:
(1)通过添加猝灭剂研究活性氧化物种在光降解过程中的贡献,选择猝灭剂猝灭不同的活性氧化物种,根据有无猝灭剂时有机物的降解速率变化来计算各ROS的相对贡献;
(2)使用电子顺磁共振EPR光谱仪检测光化学反应中产生的•OH、O2 •-和1O2自由基浓度;
(3)根据上述结果确定反应过程中哪一种氧化剂的贡献最大。
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有机激发三重态参与的光化学反应研究进展;陈彦彤等;《化工进展》;第39卷(第8期);第3344-3353页 * |
陈彦彤等.有机激发三重态参与的光化学反应研究进展.《化工进展》.2020,第39卷(第8期),第3344-3353页. * |
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