微納米氣泡臭氧催化氧化與傳統(tǒng)曝氣處理有機(jī)廢水效果對比

1. 研究背景：染料、醫(yī)藥行業(yè)發(fā)展帶來難降解有機(jī)化工廢水污染問題，其中硝基苯毒性大，被列為優(yōu)先污染物，傳統(tǒng)處理方法難以高效降解，臭氧催化氧化是研究熱點(diǎn)但存在臭氧傳質(zhì)效率低等問題，微納米氣泡強(qiáng)化臭氧催化氧化技術(shù)有望彌補(bǔ)不足。

2. 材料與方法

    材料與儀器：使用多種試劑，包括無水乙醇、硝基苯等，以及自制的Mn/Mg/Ce型三元臭氧催化劑，使用多種儀器如臭氧發(fā)生器、高效液相色譜儀等。

    試驗(yàn)裝置：設(shè)計(jì)微納米氣泡試驗(yàn)裝置（采用加壓溶氣釋氣法制備微納米氣泡）和傳統(tǒng)曝氣試驗(yàn)裝置（采用鼓泡方式產(chǎn)生大氣泡）進(jìn)行對比。

    催化劑：選用非均相催化臭氧氧化方式，使用Mn/Mg/Ce型三元臭氧催化劑，通過浸漬焙燒法制備，負(fù)載后元素摩爾比與理論值相符。

    試驗(yàn)設(shè)計(jì)：進(jìn)行臭氧氧化降解NB試驗(yàn)、臭氧催化氧化降解NB試驗(yàn)、催化劑靜態(tài)吸附試驗(yàn)。

    響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)：探究催化劑投加量、pH和反應(yīng)溫度對微納米氣泡強(qiáng)化臭氧催化氧化NB效率的影響。

    自由基淬滅試驗(yàn)：分析反應(yīng)機(jī)制及不同自由基貢獻(xiàn)率，選擇叔丁醇和對苯醌作為淬滅劑。

    分析方法：對微納米氣泡進(jìn)行表征，檢測NB濃度、COD及臭氧溶解度。

   設(shè)備：試驗(yàn)所用試劑無水乙醇（ACS，99.5%）、硝基苯（AR，99%）、甲醇（HPLC，99.9%）、叔丁醇（AR，99%）和對苯醌（AR，99%），催化劑為實(shí)驗(yàn)室自制Mn/Mg/Ce型三元臭氧催化劑，試驗(yàn)用水均為蒸餾水。 主要儀器：水冷型臭氧發(fā)生器、分析天平、臭氧濃度檢測儀（3S-J5000，北京同林科技有限公司）、高效液相色譜儀、便攜式臭氧檢測儀、COD快速消解儀和COD快速測定儀5B-3C（V8）、X射線光電子能譜儀、納米粒度/Zeta電位分析儀。

3. 結(jié)果與討論

    微納米氣泡的表征：平均納米粒徑在1078nm，粒徑分布均勻，靜置3d后粒徑更均勻，Zeta電位為?28.11mV，強(qiáng)化能力強(qiáng)。

    催化劑對NB的吸附平衡：25min達(dá)到吸附平衡，微納米氣泡MC組吸附率為18.7%，傳統(tǒng)曝氣LC組為14.6%，微納米氣泡裝置中吸附率更高。

    微納米氣泡與傳統(tǒng)曝氣效果對比

        臭氧溶解度：不投加催化劑時(shí)，微納米氣泡裝置中臭氧平衡溶解度為12.54mg/L，傳統(tǒng)曝氣裝置為5.69mg/L，投加催化劑后，分別為13.50mg/L和5.85mg/L，微納米氣泡裝置中臭氧溶解度顯著提高。

        NB降解效果：投加催化劑，臭氧處理120min后，微納米氣泡MC組NB去除率為86.67%，傳統(tǒng)曝氣LC組為68.02%；未投加催化劑時(shí)，微納米氣泡M組和傳統(tǒng)曝氣L組對NB的去除率分別為75.60%和53.34%，催化劑可增強(qiáng)降解效果，微納米氣泡裝置降解效率更高。

        COD去除效果：投加催化劑后，微納米氣泡MC組COD去除率比傳統(tǒng)曝氣LC組提高了36.6%；未投加催化劑時(shí)，微納米氣泡M組COD去除率比傳統(tǒng)曝氣L組提高了28.6%，微納米氣泡強(qiáng)化臭氧催化氧化對COD去除作用更強(qiáng)。

    響應(yīng)曲面優(yōu)化分析：得到NB去除率公式，方差分析表明模型可信度高，影響因素顯著程度為pH>催化劑投加量>溫度，預(yù)測最佳條件下NB去除率為88.91%，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果為89.42%，與預(yù)測值接近。

    自由基貢獻(xiàn)率：確定完全淬滅?OH 和?O 2? 的淬滅劑濃度分別為 20g/L 和 18g/L，微納米氣泡 MC 組中?OH 貢獻(xiàn)率為 58.9%，?O 2?貢獻(xiàn)率為 22.41%，傳統(tǒng)曝氣 LC 組中二者貢獻(xiàn)率稍低，?OH 起主要作用。

4. 研究結(jié)論：微納米氣泡提高臭氧傳質(zhì)效率和溶解度，增強(qiáng)臭氧高級氧化反應(yīng)；該技術(shù)靠?OH 和?O 2?降解有機(jī)物，對 NB 去除率高；加壓溶氣釋氣法制備的微納米氣泡有強(qiáng)化效果，但制備工藝需優(yōu)化。

摘自：秦雅萍，任會學(xué)，方睿，等.微納米氣泡強(qiáng)化臭氧高級催化氧化處理硝基苯廢水的效果[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2025，15（2）：584-593. DOI:  10.12153/j.issn.1674-991X.20240196