电催化氧化工艺预处理苯酚丙酮水的可行性

2018年08月环保与节能电机参数说明：现场测量参数取值为平均值出口温度入口阀开度工艺流量FIC-53004放空流量电机电流电机电压电机功率功率因素65Ⅴ64.4%9778Nm3/h4500Nm3/h（估算）21.4A10000V315KW0.8565Ⅴ65%9836Nm3/h014.1A10000V195KW0.802结语该项目研究过程以节能降耗为最终目标，确定增加变频和风机叶轮改造两个方向。通过离心压缩机的性能特点，对原风机的性能曲线的拟合，确定了正确的节能改造方向为风机叶轮改造。由于原工艺指标范围过大，设备特性无法满足最大程度的节能要求，通过结合设备性能分析研究和对装置工艺条件的理解，确定一个最优设备性能参数。并进一步修改工艺参数并模拟实际运行效果测试，在对设备和工艺均不发生影响的条件下，保障该项目顺利成功实施。通过叶轮的优化设计，风机叶轮直径不变，风机叶轮出口宽度下降36.1%，风机转速下降3.04%。达到3个效果：（1）机组放空由4500Nm3/H减少到0；（2）轴功率下降38.1%的使用效果；（3）机组在运行原理喘振区，运行是更稳定；机组电机电耗由315KW下降到了195KW，若电费按0.67元/KWh计算，则每年可节约电费（315-195）×8000×0.67=64.32（万元）取得了很好的经济效益。该项目经过节能设想、方案研究、试验论证，最终实施成功，取得了年节约电耗64万元的效果，对化工工业受同样问题困扰的装置有一定的借鉴意义，为机组节能优化开辟了一条切实可行的优化路线，对今后的类似研究工作有一定的指导意义。参考文献：[1]赵宏旺.王范平.张文焘.徐建.[J].机械工程师201411[2]单国丽.[J].价值工程201006[3]石亚君.葛爱香.付艳霞.王新.[J].风机技术201706作者简介：向宇林（1990-），男，汉族，重庆万州人，工程师，本科，单位：中海油惠州石化有限公司，研究方向：化工机械。电催化氧化工艺预处理苯酚丙酮水的可行性宋玉梅1刘娜娜2赵嫱2陈凯华2（1.中海油惠州石化有限公司，广东惠州516082；2.北京博汇特环保科技股份有限公司，北京100102）摘要:本文介绍从电催化氧化的原理、适用范围并通过小试实验分析电催化氧化工艺预处理苯酚丙酮水的可行性。关键词:电催化氧化；苯酚丙酮；可生化性；COD1研究背景苯酚丙酮装置所产生的废水苯酚丙酮生产污水主要有机污染物为：异丙苯、丙酮、甲基苯乙烯、芳香烃、甲醛、甲醇、丙醛、甲酸钠、异丙叉丙酮；无机物以硫酸钠为主。具有高盐、高COD、毒性大的特点，可生化性差，处理难度较大，本着源头控制、预处理、分质处理的原则，探索将苯酚丙酮污水进行预处理后降低有毒有害物质的量，提高废水的可生化性，确保污水达标排放。2电催化氧化技术的机理电催化氧化是指通过阳极反应直接降解有机物或产生羟基自由基·OH、Cl2、O2及O3一类的氧化剂降解有机物的方法。该技术采用外加电场，其反应在电极/溶液界面进行，通过电极和极板间附加催化介质的颗粒活性炭多元催化与复合氧化作用，改善处理效果。该技术特别适用于生物难降解或一般化学氧化难以奏效的高含盐污水中有机物的处理。半导体材料处于一定强度的电场时，其价带电子也会越过禁带进入导带，同时在价带上形成电激空穴。空穴具有很强的俘获电子的能力，可以夺取半导体颗粒表面的有机物或溶剂中的电子发生氧化还原反应。施加电压能使催化材料内部形成电压梯度，促使空穴与电子向相反方向移动，抑制其复合，从而提高了催化效率。电催化反应中，通过电解产生的O2和外源O2在阴极上还原产生H2O2：酸性条件下：O2+H++2e→H2O2碱性条件下：O2+H2O+2e→HO2-+OH-HO2-+H2O+2e→H2O2+OH-电化学法降解有机污染物是一个很复杂的过程，其机理研究还在探索之中，有研究者认为，其原理是利用电极在电场作用下，分解H2O，产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH基团)，从而使许多难以降解的有机污染物分解为CO2或其他简单化合物。首先溶液中的H2O或OH-在阳极上放电并形成吸附的氢氧自由基(下列式中MOx为氧化电极)：MOx+H2O→MOx(·OH)+H++e-（1）然后吸附的氢氧自由基和阳极上现存的氧反应，并使氢氧自由基中的氧转移给金属氧化物晶格而形成高价氧化物MO(x+1)，即化学吸附态的活性氧：MOx(·OH)→MO(x+1)+H++e-（2）当溶液中没有可氧化的有机物时，2种状态的活性氧按以1752018年08月环保与节能下步骤进行氧析出反应：MOx(·OH)→12O2+MOx+H++e-（3）MO(x+1)→12O2+MOx（4）当溶液中存在可氧化的有机物R时，则发生如下反应：R+MOx(·OH)z→CO2+MOx+zH++ze-（5）R+MO(x+1)→RO+MOx（6）可以看出，在电催化氧化过程中，阳极上存在两种状态的活性氧，即吸附的氢氧自由基和晶格中高价态氧化物的氧，因此电氧化反应可以按两条途径进行。当式(5)高效进行时，表现为非生化降解有机物深度氧化分解，即吸附态·OH的主要氧化产物为CO2和H2O。为使式(5)快速进行，阳极表面必须存在高浓度的吸附态·OH，电流效率主要取决于反应式(5)和式(3)的速率比；当反应式(2)和式(6)高效进行时，表现为非生化降解有机物转化为可生化降解有机物，即高价态氧化物晶格中的氧的氧化产物主要是一些有机酸、醌等有机物。为使反应式(6)快速进行，金属氧化物晶格中的氧空位浓度必须足够高，使阳极产生的吸附态·OH迅速转移到金属氧化物晶格中，即反应式(2)的速度要比式(1)快，电流效率主要取决于式(6)和式(4)的速率比；上述两种反应的电流效率均与电极材料有关，反应式(5)还与阳极电位有关。因此，选择合适的电极材料是电化学氧化技术处理废水的技术关键。为了提高·OH基团氧化有机物的效率，必须防止副反应(3)和反应(4)，即限制氧气的析出，因此必须控制好反应条件，如反应温度、溶液pH值和反应的电流密度，选择较高电位的阳极材料能很好地抑制氧气的析出。2.1苯酚丙酮水质分析表1苯酚丙酮污水水质TOCmg/L4120CODmg/L13500BODmg/L*/1600SSmg/L200电导率μs/cm42000色度倍160pH4~5注：COD测试时稀释100倍；BOD未稀释时，无法测出值，表内为稀释100倍后所得值。2.2小试流程2.3实验结果苯酚丙酮污水通过“预处理→一级无膜电催化氧化反应器”处理，其出水COD值能控制在4000mg/L以下，其各项操作指标见下表：序号12指标混合污水预处理CODBODB/C电导率pH值色度丙酮含量反应时间气水比酸投加量出水COD出水pH值单位mg/Lmg/Lμs/cmmg/Lminkg/m3mg/L数据13000~140001650≈0.12365006~720090~100608~100.4~0.6≤90007备注稀释100倍有效反应时间按照反应器放大后核算按照98%硫酸计算34无膜电催化氧化反应器电耗、药耗、人工丙酮含量反应时间气水比酸投加量操作电压工作电流出水COD出水BOD出水B/C出水pH值出水电导率出水色度反应器电耗曝气风机电耗水泵及其他98%硫酸PAC阴离子型PAM阳离子型PAM人工费用mg/Lminkg/m3VAmg/Lmg/Lμs/cmkW·h/m3kW·h/m3kW·h/m3kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3元/m310~20606~80.4~0.6151.0~1.2≤40001500~20000.4~0.57≤25000≤5062.5~751.510~121.0~2.00.2~0.30.02~0.030.02~0.032~3有效反应时间按照反应器放大后核算按照98%硫酸计算500ml污水反应1h，可折合每吨水直接耗电量约为30~36kW·h稀释100倍42~50元/m31.0元/m36.6~8.0元/m31~2元/m31~1.5元/m30.6~0.9元/m31~1.5元/m32~3元/m32.4电催化氧化工艺预处理苯酚丙酮污水的可行性分析苯酚丙酮污水的有机污染物为：芳香烃类、苯酚、丙酮、醛类、醇类、甲酸钠及丁酸钠，其中芳香烃类、苯酚、丙酮、醛类、丁酸钠均有及明显的电子云高密度区域，极易受到电催化氧化反应器引发的自由基的攻击而矿化成易生物降解的低分子量有机物，从而达到降低COD和提高可生化性的目的。其中丙酮作为有较强溶胀性的有机溶剂来看，采用预处理手段将其改性能有效的降低其对整个设备防腐层的影响。采用合适的回流比值可以有效的降低整个反应器内有机物的基底浓度，降低填料层内空隙堵塞的风险；在电催化氧化反应器的填料层底部进行曝气，一方面提供催化氧化必需的电子受体，另一方面对固定床催化剂层进行擦洗，防止填料层表层污堵。从小试数据来看，进水pH值调节为酸性的条件下（pH值4~5）处理效率最高，在吨水能耗为50~60kW·h时，采用“预处理→电催化氧化”工艺能将出水COD值降低到4000mg/L以下，B/C提高到0.4以上。吨水直接运行成本可控制在70元/吨左右（其中电费按照0.66元/度计算）。3结语苯酚丙酮污水经过电催化氧化处理后，COD大幅降低，B/C由0.1提高到0.4~0.5可生化性大大提高，处理难度大大降低；直接运行成本可控制在70元/吨左右，相比焚烧、蒸发浓缩等成本大大降低；采用催化氧化技术作为生化处理苯酚丙酮废水的预处理装置，可以大大降低生化系统的处理难度，对于采用生化法处理苯酚丙酮废水，达标外排具有重要的借鉴意义。作者简介：宋玉梅，（1968-），女，籍贯：山东烟台招远市，山东工业大学毕业，学士学位，高级工程师，现任污水处理工程师。176