微電解耦合低溫等離子體凈化對(duì)苯二甲酸廢水研究

榮俊鋒，劉瑾琳，程波，張曄，李伏虎

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

精對(duì)苯二甲酸(PTA)廣泛用于聚酯工業(yè)生產(chǎn)中。在PTA生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢水，廢水中含有大量有機(jī)污染物和重金屬。目前PTA廢水處理技術(shù)分為：物化處理技術(shù)、生化處理技術(shù)、物化-生化聯(lián)合處理技術(shù)。但這些傳統(tǒng)技術(shù)，設(shè)備占地面積大，處理時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行成本高[1-3]。微電解-低溫等離子體廢水處理技術(shù)是一種簡(jiǎn)潔高效方法，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低的新興水處理技術(shù)，能有效地降解PTA廢水中有機(jī)污染物，減少二次污染，對(duì)可循環(huán)物質(zhì)二次再利用[4-5]。本研究采用微電解耦合低溫等離子體凈化PTA廢水，以期為PTA廢水的凈化提供新的思路和理論依據(jù)[6-13]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

對(duì)苯二甲酸、還原鐵粉、活性炭、硫酸銀、濃硫酸、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硫酸亞鐵、鄰菲羅啉、氫氧化鈉、鹽酸、鄰苯二甲酸氫鉀均為分析純。

等離子體反應(yīng)器，自制，反應(yīng)器殼體為有機(jī)玻璃材質(zhì)，容積300 mL；TDGC2接觸調(diào)壓器；DD862集成式(功率、電壓、電流)數(shù)顯儀表；P096652C功率放大器；DF-II數(shù)顯集熱式磁力攪拌器；P6015A高壓探頭；HCA-100標(biāo)準(zhǔn)COD消解器；CXPB-20超純水機(jī)；KQ-C玻璃儀器氣流烘干器；PTF-A電子天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以對(duì)苯二甲酸濃度為1 g/L的PTA廢水作為研究對(duì)象，其pH值為5，COD濃度為1 518 mg/L，濁度為3.66 NTU。采用微電解-低溫等離子體法來處理廢水，圖1是實(shí)驗(yàn)裝置圖。

反應(yīng)器頂部開三個(gè)孔，中心孔插入陽極銅針(直徑1.5 mm)，左側(cè)孔連接回流冷凝管，右側(cè)孔為壓縮空氣通入孔,鋁板網(wǎng)作為陰極，固定于反應(yīng)器底部外壁。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental installation1.交流電源；2.接觸調(diào)壓器；3.功率放大器;4.冷凝器；5.壓縮空氣；6.等離子體反應(yīng)器;7.磁力攪拌器；8.鐵架臺(tái)

微電解采用精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器，讓PTA廢水中的微電解填料充分均勻地進(jìn)行反應(yīng)，利用鐵屑和活性炭組成原電池，在微電解的作用下，二價(jià)鐵離子和氫離子與廢水中的多種組分發(fā)生還原反應(yīng)，降解廢水。低溫等離子體采用交流電，通過接觸調(diào)壓器輸出0～250 V的電壓，再通過功率放大器產(chǎn)生高壓電。再連接低溫等離子體水處理反應(yīng)器的正極鐵針電極和負(fù)極鋁板網(wǎng)。

1.2.1 微電解工藝 取100 mL的PTA廢水，加入比例2∶1的鐵粉和處理后的活性炭(將活性炭充分煮沸，浸泡30 min。用去離子水清洗干凈，加入鹽酸，充分浸泡30 min。用去離子水清洗干凈，烘干，用精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器充分?jǐn)嚢?，?duì)PTA廢水進(jìn)行微電解20 min。停止攪拌，靜置12 h，取上清液。

1.2.2 低溫等離子體工藝(LTP) 取50 mL微電解處理的廢水，加入低溫等離子體水處理反應(yīng)器中，放入轉(zhuǎn)子，接好水處理反應(yīng)器的正負(fù)極；打開回流冷凝管的水源，在室溫條件下接通電源，打開磁力恒溫?cái)嚢杵?，用接觸調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)壓，開始對(duì)廢水進(jìn)行放電處理，對(duì)廢水進(jìn)行降解。取樣，采用重鉻酸鉀法(HJ 828—2017)測(cè)定溶液COD值，計(jì)算COD降解率[10-11]。

式中，COD0為廢水初始COD值，COD為處理后廢水COD值。

2 結(jié)果與討論

2.1 處理技術(shù)對(duì)PTA廢水處理效果的影響

固定放電電壓36 kV，放電間距為5 mm，鐵碳比為2∶1的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)3個(gè)水樣(1# COD為1 518 mg/L；2# COD為1 527 mg/L ；3# COD為1 540 mg/L)、pH為5的PTA廢水原液進(jìn)行降解，分別采用①微電解1 h；②低溫等離子體放電1 h；③先微電解1 h后低溫等離子體放電1 h；④先低溫等離子體放電1 h后微電解1 h處理PTA廢水，4種處理技術(shù)對(duì)PTA廢水COD降解率的影響，見表1。

表1 處理技術(shù)對(duì)PTA廢水COD降解率的影響Table 1 Influence of treatment technologies on COD degradation rate of PTA wastewater

由表1可知，先微電解1 h后低溫等離子體放電1 h的COD降解率最高。

2.2 鐵碳比對(duì)PTA廢水處理效果的影響

固定放電電壓36 kV，放電間距為5 mm，先微電解1 h后低溫等離子體放電1 h的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)初始COD為1 518 mg/L，pH值為5，初始濁度為3.66 NTU的PTA廢水原液進(jìn)行降解，鐵碳比對(duì)PTA廢水COD降解率的影響，見圖2。

圖2 鐵碳比對(duì)PTA廢水COD降解率影響Fig.2 Influence of Fe-C ratio on COD degradation rate of PTA wastewater

由圖2可知，隨鐵碳比增加PTA廢水COD降解率先升后降，再趨于平衡，鐵碳比2∶1時(shí)COD降解率最高。原因是隨著鐵粉量增加，鐵粉與廢水的有效接觸增多，使有機(jī)物降解率增大，但鐵碳比過大時(shí)，COD降解率反而并不是最好，最佳鐵碳比是2∶1。

2.3 放電時(shí)間對(duì)PTA廢水處理效果的影響

固定放電電壓36 kV，在放電間距5 mm，鐵碳比2∶1條件下，對(duì)初始COD為1 518 mg/L，pH值為5的PTA廢水原液進(jìn)行降解，先微電解1 h，再采用LTP對(duì)PTA廢水放電處理，放電時(shí)間對(duì)PTA廢水COD降解率的影響，見圖3。

由圖3可知，在LTP放電時(shí)間為1 h時(shí)，COD降解率最高。因?yàn)殡S著放電時(shí)間延長(zhǎng)，體系能量不斷增加，PTA廢水中有機(jī)物被降解，同時(shí)生成其他有機(jī)物，導(dǎo)致COD降解率處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。在放電電壓36 kV，鐵碳比為2∶1，廢水pH=5條件下，LTP放電1 h處理效果最好。

圖3 放電時(shí)間對(duì)PTA廢水COD降解率影響Fig.3 Influence of discharge time on COD degradation rate of PTA wastewater

2.4 放電電壓對(duì)PTA廢水處理效果的影響

在放電間距為5 mm，鐵碳比為2∶1，先微電解1 h 后低溫等離子體放電1 h的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)初始COD為1 518 mg/L,pH值為5的PTA廢水進(jìn)行降解，放電電壓對(duì)PTA廢水COD降解率的影響，見圖4。

圖4 放電電壓對(duì)PTA廢水COD降解率影響Fig.4 Influence of discharge voltage on COD degradation rate of PTA wastewater

由圖4可知，隨著放電電壓的增加，COD降解率呈先升后降趨勢(shì)。在28 kV時(shí)，COD降解率最高。原因是當(dāng)電壓過高時(shí)，大部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽烹娎寐式档?，?dǎo)致降解效果不佳。因此，在先微電解1 h后LTP放電1 h，鐵碳比為2∶1，PTA廢水pH值為5的條件下，放電電壓為28 kV的處理效果最好。

2.5 pH對(duì)PTA廢水處理效果的影響

調(diào)節(jié)放電電壓為28 kV，放電間距為5 mm，鐵碳比為2∶1，先微電解1 h后LTP放電1 h條件下處理PTA廢水，pH對(duì)PTA廢水COD降解率的影響，見圖5。

由圖5可知，隨著PTA廢水pH值的增大，COD降解率先升后降。這是因?yàn)閺U水在弱酸條件下較穩(wěn)定，有機(jī)污染物難以被降解。因此，在放電電壓28 kV 時(shí)，先微電解1 h后LTP放電1 h，鐵碳比2∶1，廢水的pH值為6時(shí)處理效果最好。

圖5 PTA廢水pH值對(duì)PTA廢水COD降解率影響Fig.5 Influence of pH value of PTA wastewater on COD degradation rate of PTA wastewater

2.6 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以鐵碳比、放電時(shí)間、放電電壓、PTA廢水pH值為影響因素，各取3個(gè)水平，以COD降解率為指標(biāo)，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，因素與水平見表2，結(jié)果見表3。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 2 Levels and factors of orthogonal test

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results

由表3可知，影響PTA廢水COD降解率因素從高到低的順序?yàn)锳>D>B>C，即：鐵碳比>PTA廢水pH值>放電電壓>放電時(shí)間。最優(yōu)方案是A3B3C1D2，即鐵炭比為3∶1，放電電壓為30 kV，放電時(shí)間為50 min，PTA廢水pH值為6。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，COD降解率達(dá)到90.87%。

綜上所述，處理PTA廢水的最優(yōu)條件是：鐵炭比為3∶1，PTA廢水pH值為6，先微電解1 h后，低溫等離子體放電1 h,放電電壓為30 kV,放電時(shí)間為50 min。在此條件下，PTA廢水COD降解率為90.87%。

3 結(jié)論

微電解耦合低溫等離子體技術(shù)處理PTA廢水的最佳條件是：微電解鐵碳比為3∶1，廢水pH值為6。先微電解1 h后低溫等離子體放電1 h，放電電壓為 30 kV，放電時(shí)間為50 min。在此條件下，COD降解率達(dá)到90.87%。