高级氧化技术在难降解工业废水中的应用

2023.04.28 11:02 617次
摘要:

      工业生产过程中会产生大量污水,这些污水如果未经处理便排放到水体中,会严重破坏生态环境。同时,残留在水体中的难降解有机物种类也在不断增加,使得我国本来就匮乏的水资源雪上加霜。高级氧化技术在难降解有机物处理中具有高效性和彻底性等诸多优势,是目前污水处理领域中的研究重点。通过对高级氧化技术的特点、基本原理进行分析,探讨了高级氧化技术在污水处理中的应用。

0引言
     随着工业经济步入高速发展阶段,工业生产中每天都会产生大量的污水,且污水排放量逐渐增加,污水当中含有许多化学物质,如果直接排放,必然会对生态环境以及水体造成严重的破坏和污染,这些污水中含有大量的毒素,在水处理过程中,采用简单的生物降解处理方法是不够的,且无法达到相关规定的处理要求。因此,必须综合考虑其他类型的处理方法,如高级氧化技术、沉淀、气浮等。高级氧化技术(简称AOPs)主要是通过化学反应过程中产生的羟基自由基(·OH)和一系列链反应,对有机污染物进行分解,得到最终产物CO2、H2O以及无机盐等,可有效处理污水当中的难降解有机物。
1高级氧化技术在污水处理中的应用
1.1Fenton氧化法
Fenton氧化法主要指的是pH在2~5的酸性环境下,通过Fe2+与H2O2发生链式反应,从而生成·OH(氧化电位为2.8V),对有机物进行氧化降解。其在发生反应过程中,会受到溶液温度、pH值、H2O2浓度、停留时间等因素的影响。Fenton试剂具有强氧化性,可适应大多数的污水处理需求,不仅可以作为预处理和深度处理,同时也能够完成独立污水处理的需求。Fenton氧化法具有成本低、工艺操作简单、反应速度快,氧化效率高等优点。由于Fenton氧化法对pH值的要求较高,如果偏离适宜的pH值范围,则无法保障实际处理效果。其次,Fenton氧化法在污水处理过程中使用过量的Fe2+将产生二次污染。通常情况下只适合用于处理少量、浓度较低的污水,且无法对有机物进行彻底矿化处理,所以通常将其作为预处理,或者可以针对实际情况,与其他处理方法联合使用。随着技术的不断发展与更新,已经有学者将紫外光、可见光引入到Fenton体系当中,被称为类Fenton反应,这样可有效降低处理方法的成本,从而大幅度提升反应效率和处理效果。
1.2光催化氧化法。光催化氧化法主要是在光照的条件下,半导体光催化剂如ZnO、TiO2、ZnS等在光的激发作用下使得光生电子与空穴分离,产生的光生空穴可作为氧化剂与H2O反应生成氧化性更强的?OH,从而实现对污染物的氧化去除。光催化剂表面的空穴以及电子,其具有很强的氧化性及还原性,促使有机物逐渐矿化,在整个过程中,主要是光化学反应与催化反应之间的有效结合。光催化氧化技术在实际操作过程中,具有氧化效率高、能耗低、且操作简单等优点,能够有效去除污水当中的各种有机污染物。作为新型的污水处理技术之一,光催化氧化法仍在实践发展阶段,有待进一步改进与深入研究,发展空间巨大。但是光催化剂的光生电子-空穴容易复合,降低了光催化剂的催化活性,另外,粉末状的催化剂不易回收,并且需要在一定的紫外光或者可见光条件下才能完成,增加了工艺成本,因此限制了其对实际污水处理的大规模应用。相关研究学者也在不断深入探究,比如怎样利用太阳能提升光催化氧化实际效率,光催化反应器怎样更好地适应工业生产,相关问题如果能够得到有效解决,光催化氧化技术的应用范围也将进一步扩大,并且具有广阔的发展前景
1.3臭氧催化氧化法。氧具有较强的氧化性能,氧化电位为2.07V,可以直接氧化有机物。另外,O3可以在水中分解生成无选择性的具有强氧化性的·OH,能快速去除水中几乎所有的有机污染物。但是单独臭氧氧化法工艺成本高,并且在氧化反应中具有一定的选择性,在氧化降解过程中可能产生有毒的中间产物,氧化效果较差。臭氧催化氧化法是在臭氧氧化体系中加入一定量的催化剂,促进臭氧在其表面分解产生氧化活性更强的·OH,可有效提高有机污染物的降解效果。臭氧催化氧化法在实际应用过程中也比较方便,和有机物之间发生反应的速度快,并且不会产生二次污染,多出来的臭氧也会自行分解,最终形成O2。为了进一步提升臭氧氧化实际效率,加强组合技术相关研究是目前的重点。臭氧联合氧化法主要包含H2O2/臭氧、UV/臭氧等,在臭氧反应器当中适当增加紫外线光照射以及H2O2。臭氧联合氧化法能够促使水中的臭氧产生大量的·OH,提高氧化降解效率,保障在浑浊度非常高的水环境中依然能够正常稳定运行。臭氧分子在水中的溶解度较低,臭氧利用率低,因此,怎样让其更好地溶于水中,进一步研究臭氧发生装置,使其具备高效低能耗的功能优势是当前的研究发展重点。
 
1.4电化学氧化法。电化学氧化法也是一种常见的污水处理方法,其主要是在电场环境作用下,污染物会在电极表面发生电化学反应,或者是电极表面所产生的强氧化性物质,促使污染物发生一系列的氧化还原,根据有机物降解方式的不同,主要包括直接电化学氧化法以及间接电化学氧化法,前者是有机污染物由溶液向周边扩散,后者是电化学所产生的强氧化性产物,并将其作为还原剂或者氧化剂,促使污染物被分解,逐渐转化为无害物质。电化学氧化法在实际应用过程中。具备较强的适应性、操作便捷,且氧化能力强等诸多优势,属于一种环境温和型技术,被广泛应用于烃、醛、醇等污染物处理中。但在实际操作中,因为受到电极稳定性、运行成本以及处理效率等因素的限制和影响,电化学氧化法并未被大范围地应用到工业污水处理中。当前,高效电化学反应器是主要的发展方向和趋势。
1.5超声波氧化法。超声波氧化法主要采用的是16kHz~1MHz波段范围内的超声波。水溶液中的污染物在超声波辐射的条件下,会出现高压超声空化、局部高温、水蒸气出现分裂等现象,继而产生高浓度的H2O2以及·OH等氧化物质,最终能够快速降解水中的污染物。超声波氧化法主要包括自由基氧化反应以及高温高压热解反应等类型,再结合焚烧、自由基氧化等相关水处理技术,具有操作简单方便、氧化效率高、无污染或少污染的特点,适用范围非常广,具有广阔的发展前景[3]。超声波氧化法是一种新兴的绿色水处理技术,可以单独使用,也可以与UV、H2O2、O3、电化学氧化等技术联合应用,可以显示出更大的优越性。
1.6超临界水氧化法。超临界水氧化法是在温度高于374℃、压力大于22.1MPa的条件下制得超临界水,将其作为介质来氧化分解有机物。超临界水具有液态水和气态水的双重性质,气液相界面消失,成为一个均相体系,氧化反应速度快。超临界水同时也具备很好的扩散、传递性能,介电常数非常低,超临界水氧化法是新型的污水处理技术,和湿式氧化法比较类似,但也存在一定的不同之处,在超临界压力以及温度环境下,对有机物进行降解,反应速度非常快,且反应器体积比较小,促使有效分离无机盐,这样能够省去分离处理环节,还能够产出工业用盐,而湿式氧化技术是不具备的。虽然超临界氧化技术的应用前景十分广阔,但对于高温、高压等基础反应条件及环境要求比较严格,在氧化环境下,金属设备也比较容易被腐蚀。所以,在实际应用过程中,逐渐引入了催化剂,比较常见的催化剂有CuO、CeO2等。如今,超临界水氧化更加注重节能设计和装置材料方面的深入研究,从而进一步推动其工业化的应用与发展。
2结语
社会经济在快速发展的同时,环境污染问题越来越突出,高级氧化技术是一种新型的污水处理技术,其因具备高效且降解彻底等优势,得到迅速发展,被广泛应用于污水处理领域中,并且受到了行业人士的高度重视,具有广阔的发展前景。高级氧化技术目前仍处于发展阶段,其中部分技术在实施过程中,因为成本较高,且无法大规模应用与实践,因此,当前高级氧化技术大多都是和传统生物处理技术联合使用,从而提升其自身实际处理效率,节省成本。只有不断深入研究,加大研发力度,才能够进一步完善高级氧化技术,为我国社会经济可持续发展奠定良好的基础。
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