氧納米氣泡促進(jìn)有機(jī)污染物光降解的研究

陳柏安

摘 要：我國(guó)將納米氣泡引入污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用尚不普及，深入研究較為鮮見。如何高效利用納米氣泡進(jìn)行污水處理？筆者針對(duì)是否使用氧納米氣泡、不同氣體氛圍的納米氣泡、不同污染物溶液濃度、不同酸堿度、不同光照條件等常見影響因素，進(jìn)行五組比照實(shí)驗(yàn)，據(jù)此分析，得出結(jié)論：有機(jī)污染廢水可利用氧納米氣泡輔以寬波長(zhǎng)金屬鹵化物燈照射進(jìn)行有效降解，并考慮采取適當(dāng)方法調(diào)高有機(jī)廢水pH值和初始濃度到適當(dāng)范圍，以進(jìn)一步提高降解率。

關(guān)鍵詞：納米氣泡;氧納米氣泡;光降解;有機(jī)污染物

0引言

理論上講，地球上的含水量大約有14億立方千米，然而可用水量其實(shí)不足4.5萬(wàn)立方千米（約為總量的0.003%），而且其中只有9000到1.4萬(wàn)立方千米適合人類使用（約為總量的0.001%）。而我國(guó)水利部門也曾經(jīng)對(duì)全國(guó)700余條河流，約10萬(wàn)公里河長(zhǎng)的水資源質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果是46.5%的河長(zhǎng)受到污染，水質(zhì)只達(dá)到四、五類;10.6%的河長(zhǎng)嚴(yán)重污染，水質(zhì)為超五類，水體已喪失使用價(jià)值;90%以上的城市水域污染嚴(yán)重。水污染正從東部向西部發(fā)展，從支流向干流延伸，從城市向農(nóng)村蔓延，從地表向地下滲透，從區(qū)域向流域擴(kuò)散。原國(guó)家環(huán)保局曾經(jīng)發(fā)布新聞，我國(guó)每年廢水排放量為365億噸左右，而每噸污水能夠污染大于它40倍的自然水。全中國(guó)七大流域的主要河流有機(jī)污染普遍，主要湖泊富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[1，6]。然而我國(guó)很多地區(qū)受限于資金、技術(shù)等多方面原因，水污染治理還顯得力不從心。

納米氣泡物理學(xué)界也稱為微納氣泡，是氣體和液體的分界面上存在的一種特殊狀態(tài)的氣泡，其直徑在50um以下[2，3]。它在發(fā)生之后，會(huì)收縮自己，在這個(gè)過程因氣泡變小而上升，速度變緩，融化效率變高。由于納米氣泡具有表面積大、表面能大、氣泡內(nèi)能大、氣泡能夠穩(wěn)定存在、無(wú)二次污染、使用安全等諸多優(yōu)良特點(diǎn)[4，5]，所以將其引入污水處理的領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文將如何高效利用氧納米氣泡進(jìn)行有機(jī)污染廢水處理作為研究的目的。

1實(shí)驗(yàn)過程

1.1準(zhǔn)備工作

1.1.1配置儲(chǔ)備液

配置抗生素濃度為1000mg/l的儲(chǔ)備液500ml作為模擬廢水，后續(xù)實(shí)驗(yàn)稀釋使用。

1.1.2繪制模擬廢水標(biāo)準(zhǔn)曲線

配置濃度（C）分別為50mg/l、200mg/l、400mg/l、600mg/l，以及原儲(chǔ)備液1000mg/l的作為模擬廢水。用分光光度儀掃描溶液，確定吸收峰位置，測(cè)定在這一波長(zhǎng)下，不同濃度（C）抗生素溶液的吸光度值（A），繪制濃度吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，即A—C工作曲線圖（見圖1）。

1.1.3制作光催化系統(tǒng)

首先，用鐵架臺(tái)固定好金屬鹵化物燈。選擇了較為接近自然光源的寬波長(zhǎng)金屬鹵化物燈作為模擬光源（工作波長(zhǎng)為400-700nm）。

第二，設(shè)計(jì)、制作冷卻裝置。為確保金屬鹵化物燈長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，在外面制作冷卻裝置，與燈共同組成光催化系統(tǒng)，并用玻璃罩作為實(shí)驗(yàn)液體的盛器。

第三，設(shè)計(jì)、制作防護(hù)裝置。金屬鹵化物燈長(zhǎng)時(shí)間直射會(huì)對(duì)人體造成影響，為保護(hù)實(shí)驗(yàn)者，用不透明硬紙箱罩住光催化系統(tǒng)，上開口，覆以錫箔紙遮光。

1.2分組實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過研究分析，篩選出五個(gè)常見、且易于推廣的影響因素，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

1.2.1第一組實(shí)驗(yàn)

使用氧納米氣泡對(duì)有機(jī)污染物光降解的影響：對(duì)比在使用氧納米氣泡和不使用的情況下模擬廢水的降解率，探究納米氣泡對(duì)有機(jī)污染物光降解效果的影響。

第一步，用兩份40ml的儲(chǔ)備液制作溶液，作為模擬廢水。其中一份用氣泡發(fā)生裝置制作的納米氣泡水稀釋至100mg/l，另一份用超純水稀釋至100mg/l。

第二步，分別置入光催化系統(tǒng)，于0分鐘、30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘、150分鐘，分別取樣，用移液槍移入石英比色皿，放入紫外—可見光光分度儀進(jìn)行掃描測(cè)量，得到不同時(shí)間點(diǎn)的吸光度值A(chǔ)，記錄、保存并導(dǎo)出圖表。

1.2.2第二組實(shí)驗(yàn)

氧氣氛、氮?dú)夥諏?duì)納米氣泡光降解的影響：對(duì)比氧氣氛納米氣泡和氮?dú)夥占{米氣泡下模擬廢水的降解率，探究不同氣氛的納米氣泡對(duì)有機(jī)污染物光降解效果的影響。

第一步，用兩份40ml的儲(chǔ)備液制作溶液：一份用氣泡發(fā)生裝置制作的納米氣泡水稀釋至100mg/l，完成氧氣氛納米氣泡的制作;一份用超純水稀釋至100mg/l，并用氮?dú)馄科貧猓瓿傻獨(dú)夥占{米氣泡的制作。

第二步，按照第一組實(shí)驗(yàn)第二步所列步驟完成不同模擬廢水光降解數(shù)據(jù)測(cè)定（由于氮?dú)夥盏膶?shí)驗(yàn)原液超出光度計(jì)量程，所以對(duì)所取樣品進(jìn)行5倍稀釋進(jìn)行研究，同等倍數(shù)稀釋不影響最終結(jié)果），得到吸光度圖。

1.2.3第三組實(shí)驗(yàn)

不同濃度的抗生素溶液對(duì)納米氣泡光降解的影響：對(duì)比不同濃度的模擬廢水，在氧納米氣泡作用下的降解率，探究模擬廢水濃度對(duì)氧納米氣泡光降解效果的影響。

第一步，用氣泡發(fā)生裝置制作納米氣泡水，分別稀釋儲(chǔ)備液至100mg/l、200mg/l、300mg/l。

第二步，按照第一組實(shí)驗(yàn)第二步所列步驟完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定，得到不同濃度的有機(jī)污染物的吸光度圖。

1.2.4第四組實(shí)驗(yàn)

不同酸堿度抗生素溶液的光降解效率：對(duì)比不同酸堿度的模擬廢水，在氧納米氣泡作用下的降解率，探究酸堿度對(duì)氧納米氣泡光降解效果的影響。

第一步，用氣泡發(fā)生裝置制作的納米氣泡水，稀釋出4份儲(chǔ)備液至100mg/l。

第二步，用pH計(jì)測(cè)量一份原液的pH值，為7.14;用NaOH，H2SO4調(diào)試出pH值分別為3.43、7.14、9.00、11.01的模擬廢水。

第三步，按照第一組實(shí)驗(yàn)第二步所列步驟完成不同pH值的抗生素溶液光降解數(shù)據(jù)測(cè)定，得到吸光度圖。

1.2.5第五組實(shí)驗(yàn)

光照波長(zhǎng)對(duì)有機(jī)污染物的納米氣泡光降解效率的影響：對(duì)比寬波光照和定波光照，模擬廢水在氧納米氣泡作用下的降解率，探究光照波長(zhǎng)對(duì)光降解效果的影響。

第一步，用氣泡發(fā)生裝置制作的納米氣泡水，稀釋2份儲(chǔ)備液至100mg/l。

第二步，用寬波長(zhǎng)金屬鹵化物燈（400-700nm）和單波長(zhǎng)燈（380nm），分別照射實(shí)驗(yàn)溶液，按照第一組實(shí)驗(yàn)第二步所列步驟完成數(shù)據(jù)測(cè)定，得到不同濃度的模擬廢水的吸光度圖。

2結(jié)果與討論

通過測(cè)定不同組別模擬廢水的吸光度值，參照抗生素溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到反應(yīng)前后抗生素溶液的降解率R， R=[（C0-Ct）/C0）]×100%。其中C0是光照前抗生素溶液的濃度，Ct是光照后抗生素溶液的濃度（Ct取實(shí)驗(yàn)時(shí)間最大值150分鐘時(shí)的測(cè)量數(shù)值）。由圖1的A—C工作曲線圖我們可以看出，A、C為正比例函數(shù)關(guān)系，它們之間的關(guān)系為：C=kA（k≠0）。

所以，R=[（C0-Ct）/C0）]×100%，可以表達(dá)為R=[（kA0-

kAt）/A0]×100%=[（A0-At）/A0]×100%。因此，我們只要利用測(cè)量出吸光度值A(chǔ)按照公式進(jìn)行計(jì)算，就可以得出降解率R。

將各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照公式計(jì)算后，得到以下結(jié)果（需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)90-150分鐘的部分圖形基線有所上移，因此后期進(jìn)行降解率的計(jì)算時(shí)，要考慮基線上移影響因素）。

2.1第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在第150分鐘時(shí)，計(jì)算出氧氣氛納米氣泡對(duì)模擬廢水的光降解率為40.50%，無(wú)納米氣泡的情況下光降解率為6.00%。由此可知，加入納米氣泡的有機(jī)廢水降解率高于不加入的。圖2為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出吸收峰隨時(shí)間變化比對(duì)圖。

分析推測(cè)這是因?yàn)榕c不含納米氣泡的體系相比，氧納米氣泡能夠?yàn)榉磻?yīng)體系提供氧，即活性氧自由基，促進(jìn)了污染物的降解。

2.2第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在150分鐘時(shí)，計(jì)算出氧氣氛納米氣泡對(duì)模擬廢水的光降解率為53.67%，氮?dú)夥占{米氣泡的光降解率為-1.65%。可見氧氣氛的納米氣泡對(duì)模擬廢水的光降解率高于氮?dú)夥盏募{米氣泡。圖3為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出吸收峰隨時(shí)間變化比對(duì)圖。

分析推測(cè)這也是因?yàn)檠跫{米氣泡能夠?yàn)榉磻?yīng)體系提供自由基的緣故。

2.3第三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在150分鐘時(shí)，計(jì)算100mg/l濃度的模擬廢水的光降解率為34.13%，200mg/l濃度的模擬廢水的光降解率為53.67%，300mg/l濃度的模擬廢水的光降解率為29.23%。可見氧納米氣泡光降解率隨有機(jī)廢水的初始濃度升高，呈n型變化。圖4為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出吸收峰隨時(shí)間變化比對(duì)圖。

分析推測(cè)這是因?yàn)槲廴疚锏慕到饴适艿襟w系中納米氣泡濃度的影響，因此在一定濃度的納米氣泡體系內(nèi)，污染物在一定濃度范圍內(nèi)能夠有效降解，濃度過高，無(wú)法提供足夠的活性氧促進(jìn)降解，反而會(huì)降低降解率。

2.4第四組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在150分鐘時(shí)，計(jì)算pH值為3.43的模擬廢水降解率為4.61%，pH值為7.14的降解率為34.13%，pH值為9.00的降解率為41.58%，pH值為11.01的降解率為59.13%?？梢姡琾H值越高的有機(jī)廢水的降解率越高。圖5為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出吸收峰隨時(shí)間變化比對(duì)圖。

分析推測(cè)這是因?yàn)楦遬H值條件下抗生素的吸光度有紅移現(xiàn)象，能夠吸收更多的可見光，促進(jìn)其降解;pH值對(duì)納米氣泡的穩(wěn)定性也有影響， 高pH值條件下納米氣泡的尺寸更小，活性更高。

2.5第五組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在150分鐘時(shí)，寬波長(zhǎng)的光照射模擬廢水降解率為53.67%，定波長(zhǎng)的光照射模擬廢水降解率為-110.43%。圖6為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出吸收峰隨時(shí)間變化比對(duì)圖。

寬波長(zhǎng)燈比定波長(zhǎng)燈的降解率高，分析推測(cè)這是因?yàn)橹饕且驗(yàn)閷挷ㄩL(zhǎng)吸收范圍與抗生素的波長(zhǎng)掃描范圍重合較多，因此光的吸收利用效率高，從而光降解率高。且380nm單波長(zhǎng)照射下，水中產(chǎn)生了其他吸光雜質(zhì)。

3結(jié)論

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，氧納米氣泡有助于促進(jìn)有機(jī)污染廢水的光降解;氧氣氛中的降解效率高于氮?dú)夥?氧納米氣泡光降解率隨有機(jī)廢水的初始濃度升高，呈n型變化;pH值越高的有機(jī)廢水的光降解率越高;寬波長(zhǎng)金屬鹵化物燈的催化作用優(yōu)于單波長(zhǎng)燈（380nm）。

因此，可以得到以下結(jié)論：有機(jī)污染廢水可利用氧納米氣泡輔以寬波長(zhǎng)金屬鹵化物燈照射進(jìn)行有效降解，并考慮采取適當(dāng)方法調(diào)高有機(jī)廢水pH值和初始濃度到適當(dāng)范圍，以進(jìn)一步提高降解率。

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