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超声波降解二甲苯的研究

2021-11-04 14:53:31| 来源:| 编辑:| 点击:0次

超声波降解二甲苯的研究

摘要:研究了超声波降解二甲苯技术,对反应容器及沸石、超声时间、二甲苯溶液初始浓度、H2O2的浓度和投加量、溶液温度、pH等因素对其降解效果的影响进行了探讨。实验结果表明,二甲苯初始浓度为27.6 mg/L,H2O2浓度为1.68 mg/mL,温度为(24±1) ℃时,经141.32 W/cm2声强辐射1 h,其降解率可达99.2%。

关键词:超声波 二甲苯 降解 空化效应

目前对二甲苯废水多采用生化降解法处理,当二甲苯的浓度为75 mg/L时,就可能会

对活性污泥产生危害,给生化处理带来不利的因素[1]。近年来,超声波应用于水污染控制,尤其在废水中有毒有机物的治理方面,已取得了一定进展[2~3]。超声辐射不会造成水体的二次污染,国内国外许多学者研究了超声波对三氯甲烷、苯胺、乐果、氯酚、农药、杀虫剂、除草剂等有机物的降解情况[4],实验表明:超声对利用生物方法难以降解的有机物降解效果良好,主要是由于超声空化效应产生的局部瞬时高温、高压促使水分子产生大量的·OH、·H自由基,这些未配对电子的自由基可直接氧化水溶液中的有机物,使之快速降解。超声波降解废水的潜力很大,有待进一步深入研究。

本文将频率为20 KHZ,声强为141.32 W/cm2的超声波作用于二甲苯溶液,探讨了反应容器、辐射时间、溶液初始浓度、H2O2的浓度和投加量、温度、pH等因素对二甲苯降解效果的影响。

1 实验部分

1.1 药品和仪器

二甲苯(AR级,天津新通精细化工有限公司);乙醇(AR级,天津市北辰骅跃化学试剂厂);H2O2(AR级,天津市津沽工商实业公司);JY98-3D型超声波细胞粉碎机(宁波新芝科器研究所);752型紫外可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司分析仪器总厂)。

1.2 实验方法

准确量取0.1 mL的二甲苯溶于25 mL无水乙醇中,然后用二次蒸馏水稀释配制成27.6 mg/L的溶液,取上述溶液250 mL,置于超声化学反应器中,并放入沸石。将超声波发生器探头浸入溶液约1 cm,距反应器底部大于5 cm,进行超声反应。超声波频率为20 KHZ,声强为141.32 W/cm2。反应中利用盐冰水浴调节溶液的温度,间隔一定时间,吸取25 mL的反应液。用752型紫外可见分光光度计在二甲苯最大吸收波长(260 nm)下测其吸光度,与标准曲线对比,从而计算二甲苯的降解率。

2结果与讨论

2.1 反应容器及沸石对降解率的影响

分别将二甲苯溶液置于塑料容器和玻璃容器中进行超声处理,试验结果表明采用塑料容器降解效果优于玻璃容器,以下试验容器均采用塑料容器。

在二甲苯降解过程中,向溶液中加入少量的沸石,同等实验条件降解效果可提高3.01%。其原因由于固体表面容易吸附杂质,在超声作用下,固体对超声反射较强,表面易被空化腐蚀,使吸附于固体表面的有机废物在超声极端环境下快速降解[5]。

2.2辐射时间对降解率的影响

辐射时间对二甲苯降解率的影响如图1所示,可看出:10 min时二甲苯的降解率可达71.23%,至60 min时其降解率就达到95.2%,二甲苯的降解率随辐射时间增加而增大,这主要是因为辐射时间延长后体系经辐射所产生的空化泡及进入空化泡的水蒸气裂解而产生的·OH、·H自由基增多,二甲苯在空化泡中热解或受·OH、·H自由基攻击产生易被降解的中间体,并进一步被氧化分解成CO2和H2O等,从而达到降解的目的。

2.3 溶液初始浓度对降解率的影响

取不同浓度的二甲苯各250 mL,超声辐射30 min后,结果如图2所示,可看出:在初始浓度为13.8 mg/L~96.6 mg/L的范围内,二甲苯的降解率随初始浓度增加而增大,但增长幅度缓慢,与辐射时间短和反应器内建立起的混响场等因素有关。

2.4 H2O2浓度及用量对降解率的影响

在体系中投入适量的氧化剂H2O2可提高二甲苯的降解率,当H2O2浓度为1.68 mg/mL时其降解率可达98.9%;在同样条件下单独采用超声波降解二甲苯,其降解率仅为81.88%。这主要是因为在超声作用下H2O2会加速·OH自由基的生成,H2O2浓度增加,则·OH自由基生成加快,从而促进了二甲苯的降解[6]。其原理为:

·H+ H2O2→·OH+H2O

·H+ H2O2→ H2+HO2·

·O+ H2O2→·OH+ HO2·

将不同浓度的H2O2加入到初始浓度为27.6 mg/L的二甲苯溶液中,超声降解30 min,对H2O2的用量进行了探讨,结果如图3所示。试验表明:当H2O2浓度为0.89~1.68 mg/mL时,二甲苯降解率随H2O2浓度增大而增大;但当H2O2浓度超过1.68 mg/mL时,对二甲苯的降解率不再增加,过多的 H2O2由于空化率存在饱和度,不能无限制的增加降解率。

2.5溶液温度对降解率的影响

分别控制不同的反应温度,按前述方法降解二甲苯溶液,结果如图4所示,可看出,随溶液温度的升高,二甲苯的降解率降低。二甲苯降解的适宜温度为24 ℃。在超声化学体系中,反应发生在3个区域,既空化泡气相区,气液过渡区和本体液相区。由于二甲苯挥发性较高,很容易汽化进入空化泡内部,所以二甲苯的降解主要发生在空化泡内部。提高溶液的温度,虽有利于加快反应速度,但超声波降解主要是由于空化效应而引发的反

应,溶液温度的升高,造成水的汽化程度增大,从而阻碍了空化泡的形成,减少了空化泡的数量,致使空化泡内部的水蒸气分子离解产生的总自由基数目减少,不利于二甲苯的降解,使得超声降解率降低[7]。

2.6 pH对降解率的影响

分别控制溶液的pH为5、7、9,按前述方法降解二甲苯溶液,实验结果表明:溶液

pH不同时,对二甲苯的降解几乎无影响。

3 结论

本文利用探头式超声波,成功地将二甲苯降解为无污染的CO2和H2O等物质,实现污染物的无害化。同时还研究了反应容器及沸石、超声辐射时间、二甲苯初始浓度、H2O2的浓度和投加量、温度、pH等因素对二甲苯溶液降解效果的影响。根据实验结果,确定二甲苯的最佳降解条件:H2O2浓度为1.68 mg/mL,温度为(24±1) ℃,经频率为20 KHZ,声强为141.32 W/cm2的超声波细胞粉碎机超声辐射1 h。在上述条件下对二甲苯初始浓度为27.6 mg/L的溶液进行5次平行实验,其降解率可达99.2%。

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