油田氨氮废水的纳米TiO2光催化处理

时间：2023-03-31 22:12:21 化学毕业论文我要投稿

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油田氨氮废水的纳米TiO2光催化处理

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油田氨氮废水的纳米TiO2光催化处理

　　摘要：以纳米TiO2为催化剂，在紫外光的作用下对氨氮废水进行光催化反应，分别考察了常温下TiO2投加量、反应时间、废水初始pH、外加H2O2对处理效果的影响。结果表明，对于100 mg/L的含NH3-N废水，当催化剂纳米TiO2用量为2.5 g/L、废水初始pH 8.5、反应时间为180 min、H2O2投加量为0.5 mg/L时，氨氮废水的去除率最高，达到了88.1%。

　　关键词：纳米二氧化钛;光催化处理;油田氨氮废水

　　随着工业废水、油田废水的大量排放，氨氮作为水体中一种常见污染物，正严重影响着人类以及动植物的正常生活[1-3]。氨氮进入水体后，在硝化细菌的作用下，将消耗大量的溶解氧，造成水中动植物的死亡。同时，将导致水体的富营养化，这也是造成近年来河流湖泊“水华”和近海海域“赤潮”的重要原因之一。在污水回用过程中，氨氮也将腐蚀、堵塞管道和用水设备，尤其是对铜具有较强的腐蚀性[4，5]。因此，去除水中的氨氮是环境保护的重要环节。目前氨氮废水的处理技术有生物硝化、折点氯化、氨吹脱、氨汽提、离子交换等方法[6]。

　　作为一种高效、无选择性、无二次污染的污水深度处理技术，光催化氧化技术日益受到人们的重视[7]。二氧化钛以其无毒、难溶于水、性质稳定、易于制备等优点，常作为光催化氧化的材料。纳米二氧化钛粒径仅为普通二氧化钛的1/10，可通过散射光和波长更短的紫外光。由于颗粒的纳米化，使其表面活性位增加，大大增强了其催化性能[8-12]。试验以纳米二氧化钛为催化剂，采用光催化氧化技术处理实验室模拟的氨氮废水，研究了各项因素对催化效果的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验材料

　　UV-2000 紫外-可见分光光度计[尤尼柯(上海)仪器有限公司];FC204电子天平(上海精密科学仪器有限公司);PHS-25B 精密酸度计(上海大普仪器有限公司);254 nm 紫外光源(125 W)(北京电光源研究所);KQ-200KDE 超声清洗器(昆山市超声仪器有限公司);CJJ78-1 磁力搅拌器(金坛市晓阳电子仪器厂)。P25型TiO2;氨水;盐酸;氢氧化钠;双氧水等(均为分析纯)。试验对象为实验室模拟油田浮选后的氨氮废水，利用氨水配制成相应浓度，初始浓度为100 mg/L。

　　1.2 试验方法

　　光催化降解试验采用实验室自行设计的反应器。将300 mL含氨氮废水和定量的TiO2加入到反应器中，以125 W高压汞灯作为光源，反应距离固定为12 cm。反应器放置于磁力搅拌器上方，以保证整个反应在均匀的状态下进行。在常温下以一定的紫外光照射，改变纳米TiO2的用量、光照时间、pH、外加氧化剂用量等反应条件，每隔一定时间取样离心分离。通过测定反应前后氨氮指标，考察纳米TiO2光催化法对氨氮废水的处理效果以及最佳反应条件。

　　去除率=[(反应前氨氮含量-反应后氨氮含量)/反应前氨氮含量]×100%

　　氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法。

　　2 结果与分析

　　2.1 单独催化剂吸附和单独紫外光照射下氨氮的去除效果

　　单独纳米TiO2吸附和单独紫外光照射处理后氨氮浓度变化的比较。结果表明，在经过3 h的处理后，单独纳米TiO2吸附对氨氮的去除率为5.2%，单独254 nm紫外光照射对氨氮的去除率达到10.7%，表明单独纳米TiO2吸附与单独紫外光照射对氨氮没有明显的降解作用。

　　2.2 纳米TiO2投加量对氨氮去除效果的影响

　　以254 nm紫外光照射，改变纳米TiO2添加量，对100 mg/L 氨氮废水进行处理，其NH3-N的去除效果随时间的变化如图2所示。结果表明，在试验条件下，随着纳米TiO2用量的增加，氨氮的去除率先增加后降低。当TiO2的用量达到2.5 g/L时，处理180 min氨氮的去除率最高，达到了75.5%;再增加TiO2的用量，氨氮去除率反而会降低。其主要原因是在一定波长紫外光照射下，催化剂用量越大，空穴-电子对越多，进而增加强氧化剂·OH的产量，从而提高反应效率，提高了氨氮的去除率。但当TiO2的用量过高时，降低了水的透光性，在散射和屏蔽作用的双重影响下，降低对紫外光的利用率，使空穴-电子对数量降低，因而影响反应效率。

　　2.3 光照时间对氨氮去除效果的影响

　　在254 nm紫外光照射下，纳米TiO2用量为2.5 g/L，改变光照时间后测定NH3-N的去除率，结果表明，随着反应时间的增加，NH3-N的去除率逐渐增大，但180 min时NH3-N的去除率与150 min时相比略为增长，反应已接近平衡。再延长光照时间，将增加反应电能消耗，增加成本，所以取光照时间为180 min。

　　2.4 初始pH 对氨氮去除效果的影响

　　溶液的初始pH 将会影响纳米TiO2表面所带电荷的性质和氨氮在水中的存在状态，从而影响氨氮的去除效果。在254 nm紫外光照射下，纳米TiO2用量为2.5 g/L，对100 mg/L 氨氮废水进行处理，在不同的pH 下反应180 min，测定NH3-N的去除率，结果如图4所示。由图4可知，在酸性条件下，光催化剂表面呈正电性，产生的静电斥力减少了反应物质在催化剂表面的吸附，不利于光催化反应的进行。而且在酸性条件下，OH-的数量较少，从而减少了·OH的产量。同时，TiO2在水中等电点为pH 6，此时光催化氧化反应的活性最低。因而，在酸性条件下氨氮的去除率均较低，随着pH的逐渐增大，OH-的数量会增加，生成的·OH增加，氨氮的去除率也随之增大。同时，氨氮在水体中以NH3·H2O和NH4+两种状态存在，随着pH升高，溶液中NH3·H2O分子所占比例增大，在搅拌过程中，有一部分NH3·H2O分子被空气吹脱出来，进而提高了氨氮的去除率。在pH 8.5时，氨氮的去除率很高，达到了86.2%;在pH 9.5时，氨氮的去除率达到了87.6%;当pH≥10以后，随着吹脱作用占主导地位，反应效率迅速提高。考虑到吹脱作用会将污染物排放到大气中，造成大气污染，同时，考虑到在pH 8.5 和pH 9.5 时氨氮的去除率相差不大，故试验过程中取pH 8.5。

　　2.5 氨氮的起始浓度对氨氮去除效果的影响

　　在254 nm紫外光照射下，纳米TiO2用量为2.5 g/L，调节初始pH 8.5，分别对初始浓度为100、150、200、250 mg/L的氨氮废水进行处理，测定NH3-N的去除率，考察氨氮的初始浓度对氨氮去除效果的影响，结果如图5所示。从图5可以看出，在完全相同的试验条件下，随废水中氨氮初始浓度提高，光催化降解的效果呈上升趋势。在处理180 min时氨氮初始浓度为100 mg/L时去除率达到82.6%，当氨氮初始浓度为250 mg/L时，去除率达到了91.0%。这说明针对不同浓度，甚至是较高浓度的氨氮废水均可达到较高的去除率。

　　2.6 H2O2投加量对氨氮去除效果的影响

　　H2O2作为一种常用来提高光催化反应效率的强氧化剂，试验将其作为外加氧化剂。在254 nm紫外光照射下，纳米TiO2用量为2.5 g/L，对100 mg/L 氨氮废水进行处理，分别加入0.25、0.50、0.75、1.00 mg/L H2O2测定NH3-N的去除率，结果如图6所示。由图6可知，随H2O2的投加量逐渐增加，NH3-N的去除率先升高后降低，H2O2的投加量为0.5 mg/L时NH3-N的去除率最高。这是因为H2O2作为一种强氧化剂，可以有效地捕获TiO2导带上的光生电子，从而使电子和空穴分离，产生·OH，同时在光的照射下，H2O2本身也能分解产生·OH。然而随着H2O2加入量的继续增加，NH3-N的去除率降低。这是由于过量的H2O2可能与NH3-N在催化剂表面发生竞争吸附所致。

　　3 结论

　　纳米TiO2在处理不同浓度的氨氮废水时，均有良好的去除效果。对于100 mg/L的NH3-N废水，当催化剂纳米TiO2用量为2.5 g/L、pH 8.5、反应时间为180 min、H2O2投加量为0.5 mg/L时具有很好的氨氮去除效果，废水的氨氮去除率达到了88.1%。

　　参考文献：

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