鼓泡式UVFenton法处理二甲苯废气

第11卷　第8期环境工程学报Vol.11,No.82017年8月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringAug.2017基金项目:浙江省环保科研计划项目(2011B16);国家自然科学基金资助项目(51308501)收稿日期:2016-05-30;录用日期:2016-08-04第一作者:于鹏(1991—),男,硕士研究生,研究方向:水污染控制和大气污染控制。E-mail:[e-mail]∗通信作者,E-mail:[e-mail]鼓泡式UV-Fenton法处理二甲苯废气于鹏1,吴成强1,∗,许李1,蒋轶锋1,林忠秒21.浙江工业大学环境学院,杭州3100322.浙江环龙环境保护有限公司,杭州310012摘　要　采用UV-Fenton法在自制鼓泡反应装置中处理二甲苯废气,考察了pH值、H2O2投加量、Fe2+浓度和气体停留时间等操作条件对二甲苯废气处理效果的影响,并分析了UV与Fenton技术的协同效应。研究表明,pH、停留时间(EBRT)、双氧水投加量及气液接触效率对二甲苯去除效果影响显著,少量批次投加双氧水可以显著提高其利用效率。UV-Fenton体系的最佳反应条件为:pH=3,H2O2每隔半小时投加一次且投加量为0.01%·次-1,Fe2+浓度为40mg·L-1,EBRT为55s,紫外波长为254nm。UV和Fenton在反应过程存在较强的协同效应,协同因子达到81%以上。关键词　二甲苯;紫外;Fenton;协同作用中图分类号　X701　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2017)08-4691-05　　DOI　10.12030/j.cjee.201605234PurificationofxylenesbybubblingUV-FentonmethodYUPeng1,WUChengqiang1,∗,XULi1,JIANGYifeng1,LINZhongmiao21.CollegeofEnvironment,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China2.ZhejiangHuanlongEnvironmentalProtectionCo.Ltd.,Hangzhou310012,ChinaAbstract　ThepresentworkwasdevotedtooxidizingxyleneinorganicwastegasusingaUV-Fentonprocessinaself-madebubblecolumnreactor.Theeffectsofthereactionconditions,suchasthedosageofH2O2,Fe2+,pH,andresidencetimeofgas,werestudiedintermsofxyleneremoval.ThesynergisticeffectfromcombinationofUVandFentonwasalsoinvestigated.TheexperimentalresultsshowedthatpH,residencetime,H2O2concentration,andgas-liquidmasstransferefficiencyweretheobviousfactorsaffectingxylenedegradation.Addinglesshydro-genperoxideinthebatchescouldsignificantlyimproveitsutilizationefficiency.TheoptimalreactionconditionsfortheUV-FentonsystemwerepH3,additionof0.01%H2O2everyhalfhour,40mg·L-1Fe2+,gasresidencetimeof55s,andultravioletwavelengthof254nm.TheUVandFentonhadastrongsynergisticeffectinthereac-tionprocessandthesynergyfactorreachedmorethan81%.Keywords　xylene;ultraviolet;Fenton;synergy　　工业生产过程中排放的挥发性有机废气(VOCs)气量大、易扩散、可燃,且大都带有毒性,对人体和环境都有很大的危害[1],一直以来都被国内外学者关注。目前VOCs的末端处理技术主要有吸附技术、吸收技术、冷凝(及蒸汽平衡)技术及膜分离技术、燃烧法、生物法等[2]。UV-Fenton法是一种高级氧化技术(AOPs),紫外光的照射对Fenton降解有机污染物起到极大的促进作用[3]。UV-Fenton法同时具有氧化能力强、反应条件温和、无二次污染、不存在催化剂的污染、回收与再生问题等优点[4-6]。目前已经在废水领域得到了广泛的研究和应用,但用于处理废气中有机污染物的研究相对较少[7]。本研究以自制鼓泡反应装置为反应器,研究了UV-Fenton法净化二甲苯废气的效果及其影响因素,为UV-Fenton法净化VOCs的实际应用提供依据。环境工程学报第11卷1实验部分1.1实验装置实验装置(如图1所示)由配气系统、鼓泡氧化塔和尾气吸收装置组成。鼓泡氧化塔用有机玻璃加工而成,塔身内径为14cm,高为43cm,有效体积为6L。二甲苯气体通过管道和ϕ140mm×430mm鼓泡反应器(自制)进入氧化塔内腔,在紫外灯(15W,254nm)的照射下与Fenton试剂充分接触反应,净化后经尾气吸收装置排放。图1　实验装置示意图Fig.1　Schematicillustrationofexperimentalapparatus二甲苯进气浓度采用动态法控制,利用空气泵向装有二甲苯的瓶中吹入空气,吹出含有部分二甲苯的气体进入混合瓶,在气体混合瓶中与一定量的空气充分混合,然后通过陶瓷曝气头进入到鼓泡氧化塔内的水相中。反应温度为25℃。1.2试剂FeSO4·7H2O(AR)、NaOH(AR),杭州萧山化学试剂厂;C8H10(AR),杭州双林化工试剂;30%H2O2(AR),上海凌峰化学试剂;H2SO4(AR),上海阳光试剂有限公司。图2　pH值对二甲苯去除率影响Fig.2　EffectofpHonremovalofxylene1.3分析方法二甲苯的进、出气浓度用气相色谱仪(安捷伦GC7890)检测,检测器为氢离子火焰检测器(FID),pH值用PHSJ-4A(上海雷磁)精密pH计测定。2　结果与分析2.1pH对二甲苯去除效率的影响一次性投加双氧水后启动反应装置并连续运行150min,在30、60、90、120和150min分别取样测定并计算其去除率的平均值。研究结果表明pH对UV-Fenton降解二甲苯影响很大。由图2可知,pH为2~3时,二甲苯降解效果最好,当进气浓度为350mg·m-3时,其去除率可达90.3%;当pH上升到3.5时,去除率明显下降,而pH为4~5时,去除率下降2964第8期于鹏等:鼓泡式UV-Fenton法处理二甲苯废气到40%以下,此时水溶液变得浑浊。当pH3时,Fe2+催化H2O2产生·OH,但是过高的pH会导致Fe2+和Fe3+以氢氧化物的形式产生沉淀从而失去催化性能,同时也会降低H2O2的稳定性,造成H2O2的自身氧化分解[8-9]。图3　Fe2+浓度对二甲苯去除率影响Fig.3　EffectofFe2+onremovalofxylene2.2Fe2+浓度对二甲苯去除效率的影响在H2O2浓度为0.1%、pH3、气体停留时间(EBRT)55s的条件下启动反应装置并连续运行150min,Fe2+浓度对UV-Fenton的影响见图3。Fe2+浓度对运行初期二甲苯的去除率影响不大,基本都在90%左右,但当运行150min后,随着H2O2的减少二甲苯去除率出现差异。Fe2+浓度为40mg·L-1时,二甲苯去除率降低较缓,而其他条件下的去除率降低较快。因为Fe2+浓度太小,降低了自由基产生的数量和速度,Fe2+浓度过大,会使H2O2分解速率加快,产生大量的·OH[10],而过量的·OH又会与H2O2等反应消耗H2O2,导致H2O2的利用率下降,使反应液产生棕色混浊,并吸收部分紫外光[7],导致二甲苯去除率下降。总体而言,在目前实验采用的铁离子浓度范围内自由基充足的情况下Fe2+对于UV-Fenton降解二甲苯影响不大。2.3H2O2投加量和投加方式对二甲苯去除效率的影响图4　H2O2投加量对二甲苯去除率影响Fig.4　EffectofH2O2onremovalofxylene图5　H2O2投加方式对二甲苯去除率影响Fig.5　EffectofH2O2addingmethodonremovalofxylene在Fe2+浓度40mg·L-1、pH3、EBRT55s的条件下,考察双氧水对二甲苯去除的影响,实验结果见图4。在连续运行过程中,H2O2初始投加量对于二甲苯的初期去除率影响不大,去除率基本维持在90%左右;投加H2O2运行一定时间后,二甲苯去除效率会迅速降低。当初始H2O2投加量为0.01%时,二甲苯去除率在30min左右开始降低,而H2O2投加量增大到0.05%,去除率在90min就开始降低,此时,H2O2的用量增大了5倍,而初期高去除率的运行时间只提高了3倍;当继续增加H2O2投加量至0.3%时,去除率在150min就开始降低,与0.01%的H2O2投加量相比,H2O2用量增大了30倍,而初期高去除率的运行时间只提高了5倍。H2O2初始投加量越高,消耗量越大,这可能是因为过量的H2O2被紫外光和Fe2+所催化产生的·OH与其他自由基数量过多,从而加大了·OH之间的副反应(2·OH→H2O2),而H2O2又会与·OH反应(·OH+H2O2→HO2·+H2O),不仅消耗了·OH,也造成了H2O2的浪费[11-12]。为了提高双氧水的使用效率,考察了间歇式低剂量投加双氧水对降解效果的影响,结果见图5。当H2O2的投加量为0.01%时,一次性投加H2O2后,二甲苯去除率在30min时开始下降,此时每间隔30min投加一次双氧水,二甲苯去除率可一直维持在90%的水平。相对于一次性投加双氧水(投加量0.3%、高效运行时间180min)而言,间歇式投加3964环境工程学报第11卷0.01%双氧水可大幅度提高双氧水利用效率,双氧水用量可节省80%。这说明双氧水分次投加时副反应较少,在254nm紫外光和Fe2+的催化作用下,能够产生足够有效的·OH。2.4空床停留时间对二甲苯去除效率的影响图6　停留时间对二甲苯去除率影响Fig.6　Effectofresidencetimeonremovalofxylene　空床停留时间(EBRT)是影响反应器效率的关键因素。由图6可知,EBRT为55s时,二甲苯去除率最大为90%,继续增加停留时间,二甲苯的去除率开始下降,在停留时间为90s时,去除率已下降到76.2%。出现这种现象的主要原因是二甲苯通过鼓泡的方式进入溶液内,其降解过程受到气液传质和化学反应过程的影响。快速的气液传质可以保证化学反应的顺利进行。一般而言,停留时间越长越有利于化学反应进行和二甲苯的降解[13]。但是停留时间过长后,气体流量降低过多可能会造成曝气器释放的气泡数量急剧减少并且气泡的直径减小[14-15],因此,当气泡数量过少时,导致气液实际接触时间和接触总面积减小,降低了气液传质效率。2.5气液接触效率对二甲苯去除效率的影响图7　鼓泡器个数对二甲苯去除率影响Fig.7　Effectofbubblernumberonremovalofxylene改变鼓泡曝气器的数量,进一步研究了气液接触效率对二甲苯去除效果的影响。实验反应条件为:H2O2投加量0.1%、Fe2+浓度40mg·L-1、pH3,EBRT55s、UV254nm。由图7可