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 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/strong>
自臭氧應(yīng)用于水處理以來，在實(shí)際應(yīng)用中取得了明顯的成效。但臭氧氧化反應(yīng)具有一定的選擇性，氧化產(chǎn)物常常為小分子羧酸，酮和醛類物質(zhì)，難以將有機(jī)物徹底降解為CO₂、H₂O 或其它無機(jī)物，因此TOC 和COD_cr 去除率不是很高。
為了強(qiáng)化臭氧處理效果，人們開發(fā)出O₃/UV、O₃/H₂O₂/UV、O₃/固體催化劑（如活性炭，金屬及其氧化物）等高級氧化技術(shù)，其共同特征是產(chǎn)生高活性羥基自由基（·OH），從而達(dá)到徹底降解有機(jī)污染物的目的。影響臭氧氧化的因素有污染物成分、含量，臭氧投加量，廢水pH，水氣接觸時(shí)間，紫外波長，照射強(qiáng)度，氣體分布狀況，水溫等。
本實(shí)驗(yàn)希望達(dá)到下述目的：①加深對臭氧氧化法處理廢水機(jī)理的理解；
②掌握臭氧氧化法處理廢水的很佳條件試驗(yàn)方法。
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理
臭氧氧化能力很強(qiáng)，O₃+2H⁺+2e→O₂+H₂O反應(yīng)體系的標(biāo)準(zhǔn)電極電位E=2.07V。臭氧在水中分解產(chǎn)生原子氧和氧氣還可以產(chǎn)生一系列自由基，其反應(yīng)式如下：

特別是在堿性介質(zhì)中，O₃分解產(chǎn)生自由基的速度很快，其反應(yīng)式為：

新生成的羥基自由基尤其活潑，氧化能力更強(qiáng)，HO﹒+H^t+e→H₂O，反應(yīng)體系的標(biāo)準(zhǔn)電極電位Eo=2.80V。臭氧與水中有機(jī)物的反應(yīng)十分復(fù)雜，既有臭氧的直接氧化反應(yīng)，也有新生自由基的氧化反應(yīng)。這與反應(yīng)條件與有機(jī)物的性質(zhì)密切相關(guān)，酸性條件下，臭氧分解慢，O₃的直接氧化反應(yīng)起主要作用；堿性條件下，臭氧分解快，羥基自由基氧化作用加大，隨著溶液pH提高，COD_cr去除率增加，氧化率提高。另外，溫度升高，臭氧分解速度加快，且化學(xué)反應(yīng)速率提高，所以高溫有利于有機(jī)物氧化。
三、主要儀器設(shè)備裝置
常用實(shí)驗(yàn)室儀器；O₃反應(yīng)器，剩余O₃消除器；加熱-回流裝置；25mL酸式滴定管；防暴沸玻璃珠；pHS型pH計(jì)1臺；50ml燒杯若干；100ml量筒各8只，20ml、10ml移液管各1支。

蒸餾水；硫酸銀，化學(xué)純；硫酸，ρ=1.84g/mL；硫酸銀-硫酸試劑；重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（c=0.25mol/L）；硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液（c=0.1006mol/L）；試亞鐵靈指示劑溶液。
  

圖1  臭氧降解印染廢水研究實(shí)驗(yàn)裝置
 
四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟
Ø  不同氧化時(shí)間的處理效果的實(shí)驗(yàn)步驟
1、    仔細(xì)觀察O₃裝置的內(nèi)、外結(jié)構(gòu)及部件；
2、    開啟泵，將廢水打入O₃反應(yīng)器，調(diào)整流量為0.3g/L，同時(shí)測定原廢水的pH、COD_cr值；
3、    打開氧氣瓶和減壓閥，調(diào)整臭氧發(fā)生器的進(jìn)氣流量為0.1m³/h；
4、    打開電源開關(guān)，設(shè)置放電功率為80%，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的臭氧濃度；
5、    經(jīng)氧化反應(yīng)10min、20min、30min、40min、50min后分別取一定的水樣，分別測定不同氧化時(shí)間后出水的pH、COD_cr值。
6、    實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉電源開關(guān)、臭氧發(fā)生器及泵，整理實(shí)驗(yàn)。
Ø  水質(zhì)化學(xué)需氧量測定的實(shí)驗(yàn)步驟
1)        移液管取20.0mL待測試料于潔凈的250ml錐形瓶中。
2)        于試料中加入10.0mL重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液和幾顆防爆沸玻璃珠，搖勻。將錐形瓶接到回流裝置冷凝管下端，接通冷凝水。從冷凝管上端緩慢加入30ml硫酸銀—硫酸試劑，以防止低沸點(diǎn)有機(jī)物的逸出，混合均勻后開始加熱，自溶液開始沸騰起回流1小時(shí)。
3)        充分冷卻后，用20—30mL水自冷凝管上端沖洗冷凝管2-3次，取下錐形瓶。
4)        待溶液冷卻至室溫后，加入3滴試亞鐵靈指示劑溶液，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定，溶液的顏色由黃色經(jīng)藍(lán)綠色變?yōu)榧t褐色即為終點(diǎn)。記下硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的消耗毫升數(shù)V₂。
空白試驗(yàn)：
按相同步驟以20.0ml蒸餾水代替試料進(jìn)行空白試驗(yàn)，記錄下空白滴定時(shí)消耗硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù)V₁。
 
五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理
表1   (NH₄)₂Fe(SO₄)₂濃度標(biāo)定及空白試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

水質(zhì)COD測定：
   重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度c（1/6 K₂Cr₂O₇）=0.2500mol/L，標(biāo)定得(NH₄)₂Fe(SO₄)₂的濃度C =0.098mol/L；空白試驗(yàn)所消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積V1=24.65mL；試料測定所消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積V2；試料的體積V0=20.00mL，則：
       計(jì)算公式：
表2   直接桃紅染料廢水COD測定數(shù)據(jù)表

水樣	pH值	硫酸亞鐵銨的 滴定消耗量(mL)	COD (mg/L)	COD去除率(%)
原水樣（0 min）	7.20	20.89	146.27	0.0
10 min水樣	4.15	23.74	34.21	76.6
20 min水樣	4.35	24.40	8.26	94.4
30 min水樣	4.65	24.20	16.12	89.0
40 min水樣	4.99	24.38	9.04	93.8
50 min水樣	5.16	24.81	-7.86	105.4

 

表3   酸性嫩黃染料廢水COD測定數(shù)據(jù)表

水樣	pH值	硫酸亞鐵銨的 滴定消耗量(mL)	COD (mg/L)	COD去除率(%)
原水樣（0 min）	7.21	19.60	190.70	0.0
10 min水樣	6.70	20.10	171.04	10.3
20 min水樣	6.49	20.32	162.39	14.8
30 min水樣	6.07	21.20	127.79	33.0
40 min水樣	4.46	21.90	100.27	47.4
50 min水樣	4.01	22.03	95.15	50.1

 

表4   分散藍(lán)染料廢水COD測定數(shù)據(jù)表

水樣	pH值	硫酸亞鐵銨的 滴定消耗量(mL)	COD (mg/L)	COD去除率(%)
原水樣（0 min）	6.70	15.92	352.02	0.0
10 min水樣	4.35	18.72	242.26	31.2
20 min水樣	3.40	20.11	187.77	46.7
30 min水樣	3.35	20.82	159.94	54.6
40 min水樣	3.31	20.80	160.72	54.3
50 min水樣	3.30	21.18	145.82	58.6

 

 
 
 
六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
【廢水COD及其去除率隨氧化時(shí)間變化曲線圖分析】
從圖2、圖3不難發(fā)現(xiàn)，染料廢水的COD均隨O₃氧化時(shí)間的增長而降低，COD去除率則隨之逐漸增大；且臭氧對三種染料廢水的COD_Cr去除率有異，自圖3可發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中任一氧化時(shí)間時(shí)三種染料的COD_Cr去除率大小為：直接桃紅>分散藍(lán)>酸性嫩黃。
COD_Cr的去除主要取決于有機(jī)物被氧化的程度，主要原因是染料分子結(jié)構(gòu)的差異。分子反應(yīng)活性越強(qiáng)，就越容易降解；分子結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，就越難降解。三種染料的分子結(jié)構(gòu)式如圖5所示：

圖5  染料結(jié)構(gòu)圖（從左到右分別為直接桃紅、分散藍(lán)、酸性嫩黃）
蒽醌結(jié)構(gòu)的染料（如分散藍(lán)），一旦羰基被氧化打開后，整個(gè)蒽醌結(jié)構(gòu)就被破壞，羰基相鄰的兩個(gè)苯環(huán)就比較容易被氧化；單偶氮結(jié)構(gòu)染料（如酸性嫩黃），偶氮基(-N=N-)被氧化打開后，其相鄰的苯環(huán)及芳香環(huán)并沒有被破壞，結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定而不容易被氧化；雙偶氮結(jié)構(gòu)的染料，有兩個(gè)偶氮基，更為穩(wěn)定，被氧化的難度也就更大，所以在芳香環(huán)個(gè)數(shù)相差不大的前提下，COD_cr降解效率的大小為：蒽醌結(jié)構(gòu)染料>單偶氮結(jié)構(gòu)染料>雙偶氮結(jié)構(gòu)染料。
偏酸性和中性條件下，臭氧的氧化作用以直接氧化為主，其氧化能力較弱，選擇性較強(qiáng)，從各染料的分子結(jié)構(gòu)中，不難發(fā)現(xiàn)各染料的共軛雙鍵的比重排序?yàn)椋褐苯犹壹t>分散藍(lán)>酸性嫩黃。雖然分散藍(lán)結(jié)構(gòu)中氨基和羥基都是供電子基團(tuán)，能夠促進(jìn)染料的降解，但是羥基和氨基都可以和羰基形成分子內(nèi)氫鍵，再加上吸電子基團(tuán)—Br的抑制作用，染料的分子結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定而相對直接桃紅難以降解；酸性嫩黃為單偶氮結(jié)構(gòu)染料，且—Cl等吸電子基團(tuán)更抑制其氧化降解，故酸性嫩黃COD_Cr去除率很低。
很經(jīng)濟(jì)反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)：
根據(jù)圖2、圖3，從經(jīng)濟(jì)性的角度來考慮，20min、30min、40min分別是直接桃紅、分散藍(lán)和酸性嫩黃的很佳反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，因?yàn)樗都拥某粞跻训玫胶艹浞值睦茫诟髯缘暮芗逊磻?yīng)時(shí)間點(diǎn)以后，雖然COD_cr去除效率依然在不斷增加，但其增加的速度已經(jīng)十分緩慢，而在臭氧的投加量不變的情況下，臭氧的利用率大大地下降，加大了經(jīng)濟(jì)成本。
【廢水pH值隨氧化時(shí)間變化曲線圖分析】
由圖4可發(fā)現(xiàn)，酸性嫩黃、分散藍(lán)廢水經(jīng)臭氧處理后水中的pH下降，而直接桃紅除很初10min氧化處理水樣的pH相對原水樣大大降低外，之后的處理水樣隨氧化時(shí)間的增長pH稍有上升。
廢水經(jīng)臭氧氧化過程中有機(jī)物不斷被氧化為小分子有機(jī)酸，酸電離產(chǎn)生氫離子，使水中pH下降，特別是分散藍(lán)染料廢水，有機(jī)物被臭氧氧化分解后，氫溴酸從分子結(jié)構(gòu)中解離出來，經(jīng)氧化后產(chǎn)生溴酸等強(qiáng)酸性的酸，所以其pH下降很為明顯。而直接桃紅的臭氧化過程是：臭氧首先攻擊與偶氮鍵相連的C—N鍵，使偶氮鍵以氮?dú)馀懦觯瑫r(shí)分子中苯環(huán)和萘環(huán)被氧原子取代，開環(huán)后被逐步氧化成酚、醇、醛和酰胺等，然后進(jìn)一步被氧化成有機(jī)酸，很后部分有機(jī)物被徹底氧化為CO₂和H₂O，因而在氧化得到的有機(jī)酸使水樣pH下降后，其繼續(xù)被氧化得到CO₂并逸出使水樣pH又小幅度上升。
【實(shí)驗(yàn)誤差來源分析】
本實(shí)驗(yàn)的誤差主要來源于水質(zhì)COD測定，實(shí)驗(yàn)測得各水質(zhì)的COD結(jié)果有部分小于50mg/L，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測原理，此部分水質(zhì)的COD測定本應(yīng)采用低濃度的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（c=0.025mol/L）氧化，加熱回流足夠時(shí)間以后，采用低濃度的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴；而本次實(shí)驗(yàn)中水質(zhì)COD測定統(tǒng)一用的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液c=0.25mol/L，濃度偏高，滴定的準(zhǔn)確率勢必有所下降。
測定的水質(zhì)COD結(jié)果誤差（如測得直接桃紅50min氧化水樣的COD<0等）來源主要有偏小的原因可能是以下幾方面：
（1） 實(shí)驗(yàn)中所使用的移液管等各類儀器設(shè)備本身帶入的移取試料、試劑體積的誤差；
（2） 回流過程加入硫酸的速度沒有控制好，致使有少量低沸點(diǎn)有機(jī)物溢出（加硫酸時(shí)錐形瓶中有少量煙冒出，說明低沸點(diǎn)有機(jī)物的損失不可忽略）；
（3） 考慮到試驗(yàn)時(shí)間限制，回流加熱時(shí)間只有1h（本應(yīng)為2小時(shí)），有機(jī)物的氧化可能不夠充分；
（4） 滴定終點(diǎn)的判斷誤差，依賴于實(shí)驗(yàn)者觀察顏色變化的敏銳度，直接影響硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)液的濃度標(biāo)定及水樣COD測定結(jié)果等；
（5） 本實(shí)驗(yàn)COD測定方法的適用范圍是COD為30—700mg/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中直接桃紅部分水樣的COD小于30 mg/L，此部分?jǐn)?shù)據(jù)存在不可忽略的實(shí)驗(yàn)誤差。
七、討論、心得
u  本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是水質(zhì)COD的測定；為減少操作帶入的實(shí)驗(yàn)誤差，水質(zhì)COD測定應(yīng)注意如下事項(xiàng)：
1)        本實(shí)驗(yàn)測量使用原水樣，不需過濾；取樣時(shí)應(yīng)先放掉一部分染料水樣，排除留在取樣口處的水樣，因?yàn)檫@部分水樣時(shí)沒有被處理的，否則將造成實(shí)驗(yàn)誤差；
2)        為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精密度，廢水取樣、各試劑的加入及滴定等同類操作應(yīng)盡量由同一人完成；
3)        本方法的適用范圍是COD大于30 mg/L 小于700mg/L，計(jì)算結(jié)果COD值小于10mg/L時(shí)，應(yīng)表示為“COD<10mg/L”；若測出的值超出700mg/L，水樣必須經(jīng)稀釋后再測定；
4)        滴定實(shí)驗(yàn)中，滴定終點(diǎn)的判斷非常重要；滴定時(shí)要不斷旋動錐形瓶，時(shí)刻注意瓶中溶液顏色的轉(zhuǎn)變；在酸性重鉻酸鉀條件下，芳烴及吡啶難以被氧化，其氧化率較低。在硫酸銀催化作用下，直鏈脂肪族化合物可有效地被氧化，所以此方法的準(zhǔn)確度不是100%；
5)        硫酸要在裝好冷凝管，通好冷凝水之后再緩緩由冷凝管上部加入，要控制加入速度，不宜過快，目的是為了防止低沸點(diǎn)有機(jī)物的溢出；
6)        無機(jī)還原性物質(zhì)如亞硝酸鹽、硫化物及二價(jià)鐵鹽將使結(jié)果增加，將其需氧量作為水樣COD值的一部分是可以接受的。該實(shí)驗(yàn)的主要干擾物為氯化物，可加入硫酸汞部分地消除干擾，經(jīng)回流后，氯離子可與硫酸汞結(jié)合成可溶性的氯汞絡(luò)合物。
7)        對于污染嚴(yán)重的水樣，可選取所需體積1／10的試料和1／10的試劑，放入10×150mm硬質(zhì)玻璃管中，搖勻后，用酒精燈加熱至沸數(shù)分鐘，觀察溶液是否變成藍(lán)綠色。如呈藍(lán)綠色，應(yīng)再適當(dāng)少取試料，重復(fù)以上試驗(yàn)，直至溶液不變藍(lán)綠色為止。從而確定待測水樣適當(dāng)?shù)南♂尡稊?shù)。
u  臭氧濃度過高會對人體造成不利的影響：臭氧濃度高于0.3mg/L時(shí)對人的五官有刺激作用；濃度高于3-15mg/L時(shí)，人會感到頭疼，所以一般臭氧的濃度允許值為0.2mg/L，正常可與人體接觸8小時(shí)；采用臭氧氧化技術(shù)也應(yīng)該注意剩余臭氧的去除，主要方法有：
                                  i.              預(yù)臭氧化：將剩余臭氧重新通入待處理的廢水中，可達(dá)到循環(huán)使用的目的。
                                ii.              稀釋：對排出的臭氧進(jìn)行一定的稀釋，使得臭氧對人體的危害減小。
                              iii.              熱分解：臭氧在100℃時(shí)分解反應(yīng)很劇烈，在270℃時(shí)基本沒有臭氧的存在。
                              iv.              吸附：可以采用碘酸鉀等物質(zhì)對臭氧進(jìn)行吸附去除。
八、思考題：

圖6  臭氧降解印染廢水實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

 
1、為什么臭氧氧化對TOC的去除效率不是很高？
答：處理液的pH為酸性的情況下，臭氧氧化的選擇性較高且反應(yīng)較慢；處理液pH為堿性的條件下，臭氧氧化分解產(chǎn)生的CO₂又被堿性溶液吸收，故臭氧氧化對TOC的去除率不高。
2、為什么廢水在強(qiáng)堿性時(shí)其TOC的去除效率反而下降？
答： 隨著廢水pH的增大，有機(jī)物被臭氧氧化產(chǎn)生的CO₂極易被堿性溶液吸收，產(chǎn)生CO₃^2-及HCO₃^-，而這兩種離子的存在會抑制羥基自由基的產(chǎn)生，進(jìn)而抑制有機(jī)物氧化作用，所以隨著廢水pH的升高（強(qiáng)堿性），其TOC的去除率反而變小。
3、化學(xué)氧化技術(shù)還有哪些方法？
答： 目前常用的化學(xué)氧化法根據(jù)氧化劑的種類分為有臭氧氧化、Fenton氧化、氯氧化、光催化氧化、濕氣氧化法等；根據(jù)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)展可以分為傳統(tǒng)氧化法和高新技術(shù)氧化法。
臭氧氧化法：臭氧是良好的強(qiáng)氧化脫色劑，對于大多數(shù)染料能獲得良好的脫色效果，但對于其他以細(xì)分散SS狀態(tài)存在于廢水中的還原、硫化和涂料等不溶水染料脫色效果差。實(shí)際中常和其他方法聯(lián)合使用，與紫外光輻射或活性炭吸附聯(lián)合處理，可提高脫色效果；臭氧－電解處理可提高酸性染料、堿性和活性染料的脫色率。從國內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果來看，由于臭氧氧化不產(chǎn)生污泥和二次污染，有一定的工業(yè)應(yīng)用前景；但處理成本高，不適合大流量廢水的處理。
氯氧化法：常用的氯氧化劑有液氯、漂白粉、次氯酸鈉和二氧化氯等，氯氧化劑對于易氧化的水溶性染料，如陽離子染料和硫化染料有較好的脫色效果；對于不易氧化的水不溶性染料，如還原、分散染料等脫色效果較差；當(dāng)廢水中含有較多SS和漿料時(shí)，氯氧化法去除效果不理想。
Fenton法：Fenton試劑對含染料廢水進(jìn)行混凝前的預(yù)處理，脫色率可達(dá)96.77%。近年來人們把UV、草酸鹽引入Fenton工藝中，使其氧化能力大大增強(qiáng)，但處理毒性大。一般處理氧化物或生物難降解的有機(jī)廢水時(shí)，與混凝沉降、活性炭、生物法等連用，可降低處理成本。
光催化氧化法：常用的催化劑有TiO₂、H₂O₂、草酸鐵等無機(jī)試劑，TiO₂由于無毒、有較高的催化能力和較好的化學(xué)穩(wěn)定性，成為應(yīng)用很廣泛的光催化劑；利用太陽能進(jìn)行光催化氧化有機(jī)染料技術(shù)，在節(jié)約能源、維持生態(tài)平衡、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)。光催化氧化技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向——電化學(xué)催化氧化降解技術(shù)即光電催化，利用光透電極和結(jié)構(gòu)TiO₂作為工作電極和光催化劑，對水中染料進(jìn)行電解，發(fā)現(xiàn)光電催化劑對3種染料——品紅、鉻藍(lán)K、鉻黑T溶液的降解效果很佳。
超臨界氧化法（SCWO）：超臨界氧化法（SCWO）指當(dāng)溫度、壓力高于水的臨界溫度374℃和臨界壓力22.05MPa條件下的水中有機(jī)物的氧化。Model等對有機(jī)碳含量27.33g/L的有機(jī)廢水，在550℃、60s內(nèi)，有機(jī)碳和有機(jī)氯的去除率分別為99.99%和99.97%。SCWO具有效率高、應(yīng)速度快、適用范圍廣特點(diǎn)，除有機(jī)污染物的同時(shí)，可提高生化降解性。 
高級氧化法：如UV+H₂O₂、UV+O₃，在氧化過程中產(chǎn)生羥基自由基（·OH），其強(qiáng)氧化性使染料廢水脫色。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)它對偶氮染料的脫色很有效，高級氧化反應(yīng)隨O₃和H₂O₂加入量的增加，其反應(yīng)速率也隨之增加。在實(shí)際生產(chǎn)中加入某些化學(xué)輔助劑會提高脫色效果，很近的研究發(fā)現(xiàn)二氯三嗪基型偶氮類活性染料使用UV+H₂O₂方法脫色也有很好的效果。   

與臭氧脫色實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

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  標(biāo)準(zhǔn)臭氧方案

• 

  臭氧+活性炭實(shí)驗(yàn)方案

• 

  臭氧催化氧化實(shí)驗(yàn)方案

• 

  臭氧高級氧化廢水處理實(shí)

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