基于光催化反應(yīng)的洗衣廢水處理方法

陳龍智 羅麗 徐水洋

北京科技大學(xué)天津?qū)W院，中國(guó)·天津 301830

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷擴(kuò)大，水資源短缺的壓力繼續(xù)增加。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局武漢市的數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)武漢市居民的家庭用水量總計(jì)5.98 億m3，僅此一項(xiàng)。洗衣機(jī)是常見的家用電器，會(huì)消耗水并消耗多達(dá)20 的洗滌水。節(jié)水技術(shù)的開發(fā)和推廣對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)，社會(huì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。光催化的原理是光催化劑在周圍的水中產(chǎn)生強(qiáng)烈的氧化性羥基自由基和氧陰離子，并被紫外線激發(fā)，然后氧化并分解為水和二氧化碳。整個(gè)過程是安全的，沒有二次污染。通常，催化劑涂覆在陶瓷載體的表面上，并且載體的性能直接影響反應(yīng)的效率。

2 光催化反應(yīng)的基本影響因素

2.1 紫外線因素

研究光催化氧化主要使用的紫外線是波長(zhǎng)為254 nm 殺菌燈、主波長(zhǎng)為365 nm 的黑管作為構(gòu)成的主要光源。研究表明，當(dāng)光的波長(zhǎng)小于300nm 時(shí)，會(huì)有殺菌作用，而當(dāng)波長(zhǎng)在260nm 左右時(shí)，對(duì)細(xì)菌有效。如果應(yīng)用于室內(nèi)空氣污染凈化實(shí)踐，則應(yīng)采取必要的控制措施。同時(shí)，主波長(zhǎng)為254nm 的紫外線燈在工作過程中會(huì)與空氣接觸而產(chǎn)生臭氧，從而造成二次污染并損害人體[1]。

2.2 污染物含量的主要濃度

污染物的初始濃度將影響TiO2光催化降解的效率。如果在實(shí)際中氣相中有機(jī)污染物的初始構(gòu)成濃度太高的話，反應(yīng)不容易進(jìn)行。原料中高濃度的三氯乙烯將導(dǎo)致催化劑失活。這些失活現(xiàn)象主要是由于反應(yīng)中間體在催化劑表面上的吸附和對(duì)活性位點(diǎn)的占據(jù)而引起的。在沒有有機(jī)污染物的潮濕空氣中使用和同時(shí)使用紫外線照射會(huì)使內(nèi)部存在中間的產(chǎn)物產(chǎn)生劇烈的氧化合物介質(zhì)，因此促進(jìn)催化劑的不斷在生成。

2.3 反應(yīng)中氧氣的濃度

氧氣是光催化反應(yīng)的必要因素，吸附在催化劑表面的氧分子將參與反應(yīng)并消耗電子。它還將增加禁止的帶寬，從而產(chǎn)生電子空穴。電子重組被抑制，從而提高了氧化能力。在高氧濃度的反應(yīng)條件下，反應(yīng)速率的本質(zhì)與氧濃度是非無關(guān)的。

3 光催化反應(yīng)的基本特征

光催化廢水處理裝置及廢水處理方法，屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域。該光催化廢水處理裝置包括光催化室主體、拌裝置、電磁轉(zhuǎn)換裝置、催化劑凈化室、磁性納米光催化劑和紫外線燈（如圖1所示）。

圖1 光催化廢水處理裝置圖

通過放置在推拉裝置的作用下上下移動(dòng)的擾動(dòng)環(huán)和可動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉片，將磁性納米光催化劑和廢水充分混合，以提高光催化反應(yīng)的效率。并且可以通過電磁轉(zhuǎn)換裝置快速回收磁性納米光催化劑。當(dāng)磁性納米光催化劑的表面吸附污染物以降低催化效果時(shí)，可以使用電磁轉(zhuǎn)換裝置快速收集和回收，并進(jìn)入光催化劑凈化室進(jìn)行超聲波清洗。清洗完成后，可以使用電磁轉(zhuǎn)換裝置快速進(jìn)入光催化室主體，繼續(xù)進(jìn)行光催化廢水處理，進(jìn)行自動(dòng)廢水處理，提高便利性。

4 洗衣廢液的基本特征

大量實(shí)踐表明，洗衣廢水中的主要污染物構(gòu)成是來自常規(guī)洗滌劑的。其中洗滌劑中的主要有效成分構(gòu)成便是表面活性劑、洗滌劑。此外，它還包含輔助成分，如漂白劑、泡沫調(diào)節(jié)劑和酶、熒光漂白劑、緩蝕劑。日常生活中常用的洗滌劑表面活性劑的主要構(gòu)成是線性烷基苯磺酸鈉（LAS）、烷基苯磺酸鈉（ABS），它們不可生物降解，并且在比較適宜的環(huán)境中生存的主要構(gòu)成時(shí)間比較長(zhǎng)。 LAS 的生物降解性得到了很大程度上的整體的改善，從現(xiàn)實(shí)環(huán)境中看這些LAS 生物都含有苯核并且不能的被完全降解[2]。

5 光催化反應(yīng)的洗衣廢水處理方法基本闡述

5.1 光催化反應(yīng)的洗衣廢水提升反應(yīng)溫度

一般而言，在實(shí)驗(yàn)的過程中不斷提高反應(yīng)的溫度有助于化學(xué)反應(yīng)的有效進(jìn)行，并且是提高化學(xué)反應(yīng)速率的常用方法。反應(yīng)溫度的影響對(duì)光催化反應(yīng)的有機(jī)影響是有目共睹的，我們可以從溫度對(duì)光催化劑表面反應(yīng)（吸附反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)和解吸反應(yīng)）產(chǎn)生巨大的作用，反應(yīng)溫度和光催化劑表面活性的影響中不斷地總結(jié)出來。水蒸氣在光催化反應(yīng)中起重要作用，在TiO2的表面上有吸附的不同化學(xué)吸附和水分子的水形成羥基。一般而言，在水蒸氣的存在下，水分子將解離的物質(zhì)在發(fā)生反應(yīng)的過程中不斷地吸附在Ti4+上，形成羥基官能團(tuán)。羥基官能團(tuán)與表面空穴結(jié)合（將電子釋放到表面光催化空穴）形成高反應(yīng)性羥基自由基OH 可以促進(jìn)有機(jī)物的分解，還可以吸附水和有機(jī)物分子成為反應(yīng)的活性部位光催化的。有機(jī)物分子表面上的氫氧根自由基在光催化反應(yīng)不斷進(jìn)程中起著非常至關(guān)重要的有效作用，與此來說氣相中水蒸氣的構(gòu)成濃度對(duì)反應(yīng)速率有著非常重要的有效影響[3]。

5.2 采用絮凝沉降工藝的處理方法

絮凝沉淀過程主要包括污泥處理、絮凝反應(yīng)預(yù)處理，混合反應(yīng)沉淀三個(gè)單元體（如圖2所示）。廢水處理的反應(yīng)過程很簡(jiǎn)單，高效且高度可調(diào)。LAS 與SS 可以有效去除。COD 去除率甚至可達(dá)到65%以上，LAS 去除率可達(dá)到整體效果的80%以上，其中的顏色去除率可達(dá)到85%以上。另外，該反應(yīng)過程具有一定的抗沖擊性[4]。

圖2 絮凝沉降工藝的處理方法示意圖

5.3 使用空氣懸浮-曝氣生物過濾器的集中處理方法

空氣懸浮曝氣生物過濾工藝通過向廢水中添加一種用于破乳和凝聚浮選的凝結(jié)劑，減少了水中洗滌劑，懸浮固體，膠體，其他污染物與表面活性劑的含量。生物空氣過濾器處理（BAF）。反應(yīng)器中各種量包括生物膜內(nèi)微生物種類和濃度、反應(yīng)器中的溶解氧、pH，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)定義式如：dm/dt=f（A、B、C...M) ，其中M 為內(nèi)的某一種變量，A、B、C 為影響MABR 系統(tǒng)變化的多種因素，t 表示為時(shí)間。整體構(gòu)成中氣水比大于0.5，BOD5 去除率大于80，破乳氣浮工藝的COD去除率大于55，COD 去除率曝氣生物濾池的硝化率達(dá)78.8，硝化效率高。出水水質(zhì)符合《各種生活用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。該方法具有體積小、處理效率高，水處理能力大、能耗低、操作簡(jiǎn)單、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來，隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，大量產(chǎn)生的污染物進(jìn)入水體，對(duì)人們的飲水安全構(gòu)成威脅。其中，有機(jī)污染物具有高毒性、強(qiáng)累積性和難降解性，對(duì)人體健康危害最大。因此，對(duì)有機(jī)污染廢水處理的深入研究是當(dāng)前水處理領(lǐng)域中非常重要的課題。在水處理方法中，半導(dǎo)體光催化技術(shù)和吸附方法具有很高的去除效率和綠色經(jīng)濟(jì)性，這是非常有前途的方法。