基于撞擊流的臭氧氧化降解亞甲基藍廢水

林潔麗，陸澤偉，朱豪成，黃敏怡，劉國輝，謝智浩

（佛山科學技術學院化學工程系，廣東佛山 528000）

撞擊流反應器[1]是一種能加大介質(zhì)間微觀混合程度、提高反應速率的裝置[1]。相向流動的物質(zhì)在撞擊面上相互撞擊，形成一個高速湍流、顆粒濃度最高的撞擊區(qū)，為強化化學反應提供了極好的條件。撞擊流在干燥、吸收、氣體和固體的冷卻和快速加熱、混合、多相反應等過程中發(fā)揮了良好的促進作用[1-2]。

印染廢水中的難降解有機物嚴重影響廢水的達標排放和回收利用。國內(nèi)處理印染廢水以生物處理為主，輔助以臭氧、膜處理等物化手段，效果較差、工藝復雜且不能滿足市場變化的需求。本文利用撞擊流原理制作的反應器，將臭氧和模擬廢水的亞甲基藍溶液進行混合反應，旨在提高亞甲基藍的降解率。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

亞甲基藍（Methylene Blue，MB）、NaOH（化學純）、HCl（化學純）均購自上海麥克林生化科技有限公司。

CH-ZTW3G臭氧發(fā)生器，廣州創(chuàng)環(huán)臭氧電器設備有限公司；550W/8L空氣壓縮機，臺州市奧突斯工貿(mào)有限公司；25FSB-10L氟塑料泵，上海氟鑫泵閥有限公司；LZB-10WB防腐玻璃轉(zhuǎn)子氣體流量計、LZB-25防腐玻璃轉(zhuǎn)子液體流量計，興化市祥錦流量儀表廠；高精度pH測試筆，上海力辰邦西儀器科技有限公司；氣液撞擊流反應器，自制，結(jié)構示意圖如圖1所示。

圖1 撞擊流反應管結(jié)構示意圖

1.2 臭氧氧化的撞擊流實驗

1.2.1 亞甲基藍模擬廢水配制

稱取1.87 g亞甲基藍置于500 mL容量瓶中，定容、搖勻并配制成0.01 mol/L的溶液，并稀釋得到濃度為0.01 mmol/L、0.02 mmol/L、0.03 mmol/L、0.04 mmol/L、0.05 mmol/L的亞甲基藍溶液。利用NaOH和HCl將配好的亞甲基藍溶液調(diào)成弱堿性，pH值約為7.5。

1.2.2 實驗儀器連接

如圖2所示，將臭氧發(fā)生器與反應器連接。通過控制臭氧流出量，把10 L濃度為0.01 mmol/L的亞甲基藍溶液輸入反應器，將其與臭氧撞擊充分反應20 min。

圖2 實驗儀器連接示意圖

1.2.3 單因素試驗

測試不同臭氧濃度（20 mg/min、30 mg/min、40 mg/min、50 mg/min、60 mg/min、70 mg/min、80 mg/min）、不同反應時間（5～60 min，每5 min測一次）、不同亞甲基藍初始濃度（0.01 mmol/L、0.02 mmol/L、0.03 mmol/L、0.04 mmol/L、0.05 mmol/L）下，臭氧對亞甲基藍的降解率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同臭氧量的影響

不同臭氧濃度下，亞甲基藍的降解率如圖3所示。臭氧濃度較低時，降解率隨濃度增高而顯著提升，當濃度大于50 mg/min時，增加緩慢，最終趨于飽和。因此選擇合適的臭氧濃度非常重要。劉占孟等[3]利用有機玻璃反應管進行臭氧氧化實驗時發(fā)現(xiàn)臭氧的流量對降解率影響不明顯，他們認為流量的增加雖然會提高臭氧濃度促進降解，但也會增大氣泡、增加氣泡聚合概率從而降低臭氧利用率。本研究發(fā)現(xiàn)臭氧濃度影響顯著，是因為本反應器能夠充分利用撞擊面提高反應接觸范圍和反應速度，提高了臭氧的利用率。

圖3 臭氧濃度對降解率的影響

2.2 不同反應時間的影響

圖4是在臭氧濃度不變條件下對給定的亞甲基藍溶液反應處理時間不同的降解效果。采用60 mg/min的臭氧濃度，對10 L濃度為0.01 mmol/L的亞甲基藍溶液進行氧化反應1 h。前20 min的反應時間越長，降解率明顯增加，當反應時間超過20 min后，反應時間的增加對降解率影響不大。由此可見，基于撞擊流原理設計的反應管利用亞微米級反應面的強反應作用，可以極大減少反應時間。

圖4 反應時間對降解率的影響

2.3 不同亞甲基藍初始濃度的影響

采用60 mg/min的臭氧濃度，分別對10 L不同濃度的亞甲基藍溶液進行氧化反應20 min，測試亞甲基藍初始濃度對降解率的影響。結(jié)果如圖5所示，濃度為0.01 mmol/L時，降解率超過96%；隨著亞甲基藍初始濃度的增大，降解率降低。對高濃度的亞甲基藍溶液或者廢水，可以通過提高臭氧含量或者反應時間以達到同樣高的降解率。比較圖3～5可以發(fā)現(xiàn)在相同實驗條件下，實驗的重復率很高。

圖5 亞甲基藍初始濃度對降解率的影響

3 結(jié)論

臭氧氧化亞甲基藍溶液的效果受氣體流量、反應時間以及亞甲基藍初始濃度的影響，高濃度的臭氧、長的反應時間、低的初始濃度都有利于亞甲基藍的降解。撞擊流反應管的設計能增加反應接觸面，促進臭氧分解產(chǎn)生較多自由基，提高臭氧利用率，因此選擇更低的臭氧濃度和更短的反應時間就能達到同樣高的降解率，這樣不僅降低臭氧的使用量也能縮短處理時間，有利于降低廢水處理的成本。