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        技術原理

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        地下水原位修復的臭氧微納米氣泡技術研究
        添加時間:2017-04-18    閱讀次數:3198    作者:蕭暉

           摘要:我國地下水有機污染狀態日益嚴峻,對污染地下水原位修復技術的研究具有重要意義。本文針對臭氧微納米氣泡技術開展試驗研究,研究表明微納米氣泡技術對付臭氧在水體內的傳質速率以及濃度峰值都有較猛進步,并有用延伸了臭氧在水體內的存在時間。進一步選取甲基橙作為代表開展污染物去除試驗,研究表明微納米氣泡技術能有用進步臭氧的氧化本領,低落反應所必要的臭氧濃度閾值,且在酸性條件下能取得更好的修復服從。地下水作為重要的供水資源,在我國的經濟社會的生長中都發揮偏重要意義。水利部觀察結果表現我國地下水開采量到達水資源總開采量的18.2%,尤其對付北方地域,地下水提供了65%的生存用水、50% 的產業用水以及33%的農業灌溉用水?,F在我國環境題目非常嚴峻,水資源污染題目日益加劇,此中地下水污染題目尤為嚴峻。我國部門都會產業企業周邊的地下水污染狀態嚴峻威脅著飲用水源的寧靜?,F在針對地下水污染的修復技術可分為異位修復和原位修復兩類,此中原位修復技術以其對環境擾動小、本錢低的上風得到了遍及的存眷?,F在針對有機污染園地的原位修復技術重要包羅檢測條件下的天然降解、強化生物修復以及地下水曝氣等,但是現有的原位修復要領在技術上均存在肯定的范圍性,比方天然降解法處置處罰服從較低且受加入地條件限定,強化生物要領修復服從受到環境條件影響,而地下水曝氣法影響范圍較小,對付微生物的促進作用有限。面臨如今越來越多的污染園地狀態,高效的原位修復技術亟待開辟。微納米氣泡( MNB) 技術在比年來取得了突破性希望,由于其氣體傳質效應好、水體內存在時間長等特性而在各個范疇內收到了遍及存眷。微納米氣泡粒徑小,在水體內具有很強的滯留性,同時較大的內壓使其具有較強的溶解傳質本領。微納米氣泡氣液界面帶有負電荷,與特定污染物會產生相互作用,同時氣泡破碎時所開釋出的能量能促進污染物的去除。微納米氣泡具有傳質本領強,存在時間長的特點,可以補充現有的原位修復技術的范圍性。比方接納微納米氣泡技術舉行地下水曝氣時,微納米氣泡可以大概永劫間的存在于水體內從而隨水流影響更大的范圍,其強傳質本領可以大概進一步促進微生物的作用?,F在針對微納米氣泡性子的研究取得了肯定的結果。Bowley Hammond( 1978) 研究發明細孔產生的微吝嗇泡具有更高的溶氧傳質服從。初里冰等發明微米氣泡不但僅可以大概加強臭氧的傳質本領,并且有用進步了臭氧的氧化本領。Kerfoot( 2002) 初次將臭氧微納米氣泡應用于甲基叔丁基醚( MTBE) 污染園地的修復。Kerfoot( 2003) 將臭氧微納米氣泡與雙氧水聯合往復除園地的柴油走漏。Kenichi ( 2007) 研究發明微納米氣泡可以大概較好地將煤油組分剝離出土粒,并且通過進陣勢下水溶氧濃度來促進好氧微生物的剖析作用。

             針對微納米氣泡的研究證明白該技術在有機污染地下水原位修復中所具有的潛力,但是現在為止的研究范圍于對征象的視察,在微納米氣泡的傳質本領以及修復機理方面另有待深入的研究闡發,微納米氣泡在現實污染園地中的應用仍舊非常少。

        本文針對臭氧微納米氣泡,通過試驗研究臭氧微納米氣泡在在水體內的溶解傳質特性,并聯合臭氧的自剖析創建理論模子; 并進一步選取甲基橙作為代表性污染物舉行臭氧微納米氣泡的有機污染修復試驗,闡發氣泡范例、PH 等對修復服從的影響。

        微納米氣泡的天生接納ASUPU ASK3微納米氣泡機; 接納RQ-30G臭氧產生器制取臭氧; 溶解臭氧濃度值的測定接納ATI Q45H溶解臭氧濃度測定儀; 甲基橙濃度的測定接納分光光度法,選用D5000紫外分光光度計。

           溶解傳質效應

            溶解傳質試驗在水體內舉行。在模子箱內注入10L超純水并通過抽真空包管水體內溶解臭氧值為零; 在微納米氣泡機的進氣口和進水口分別設置氣/液體流量計,控制臭氧的進氣速率為1 L/min,水循環速率為11 L/min,包管在試驗歷程中微納米氣泡的天生條件雷同; 將進水口和出水口置于液面下并啟動微納米氣泡機開始試驗; 將丈量探頭置于出水口相近,定時測定水體內溶解臭氧濃度值。試驗中分別在差別通入時長下制止臭氧微納米氣泡的通入,觀察水體內溶解臭氧濃度值的上升與降落紀律。為了比擬微納米氣泡與毫米級氣泡在水體內的溶解傳質特性,接納內徑4 mm 的塑料管直接向水體內通入毫米級臭氧氣泡,包管臭氧的通入速率與微納米氣泡試驗中雷同,定時測定水體內的溶解臭氧濃度值。試驗裝置如圖2 所示。差別通入時長條件下溶解臭氧濃度值的變革如圖3 所示。在所選取通氣速率以及水循環速率條件下,溶解臭氧濃度值在30 min 時到達峰值,約為6.1ppm。到達峰值后濃度值不再繼承上升。三組試驗分別在10 min、20 min 以及30 min 制止臭氧微納米氣泡的通入。三組試驗初始段溶解臭氧濃度增長結果明顯,濃度值增大后上升速率漸漸減緩。制止微納米氣泡的通入后,溶解臭氧濃度敏捷降落,降落速率隨濃度值低落漸漸減緩,濃度值在0.4ppm時能存在較永劫間。通入毫米級氣泡時溶解臭氧濃度值在20min到達峰值1.2 ppm,因此選取微納米氣泡試驗組中通入20min的結果與毫米級氣泡試驗結果舉行比擬,在上升段,臭氧以微納米氣泡情勢通入時上升速率明顯高于以毫米級氣泡通入時; 微納米氣泡條件下20min時溶解臭氧濃度值為毫米級氣泡條件下的4倍。在降落段,在統一溶解臭氧濃度值時,微納米氣泡試驗中的降落速率要明顯低于毫米級氣泡。毫米級氣泡制止通入后約6 min溶解臭氧濃度值降為零,而微納米氣泡制止通入后溶解臭氧存在時間長達1h。為了量化闡發水體內溶解臭氧的變革歷程,界說均勻增臭氧速率、溶臭氧峰值以及溶臭氧存在時間三個參數。均勻增臭氧速率為溶臭氧到達峰值之前,單元時間內溶解臭氧均勻增長值,反應氣泡的總體傳質服從,與水體內的氣泡數目、外貌積以及氣泡內臭氧濃度值有關。在初始階段由于微納米氣泡的大量天生并不停溶解,水體內溶臭氧的增長速率非???。微納米氣泡數目到達峰值后微納米氣泡機連續循環維持水體內微納米氣泡數目,溶解臭氧濃度漸漸升高。隨著水體內溶解臭氧的增長,水體內溶解臭氧的自剖析速率漸漸加速,造成溶解臭氧濃度上升速率趨于平緩。當臭氧的溶解速率與自剖析速率到達均衡時水體內的溶解臭氧濃度到達峰值。在天生歷程中溶解臭氧濃度的上升速率是不停變革的,以是選取均勻增臭氧速率來形貌溶解臭氧增長愛的快慢,在數值上即是溶解臭氧總增長量除以時間。溶臭氧濃度峰值即為溶解臭氧濃度所能到達的最大值,為增臭氧速率在時間上的積分,能反應氣泡的傳質結果。溶臭氧存在時間為從溶臭氧峰值降至飽和溶臭氧值所需的時間。當溶臭氧濃度到達峰值后,制止微納米氣泡的天生。此時溶臭氧濃度值仍舊維持在較高程度,溶臭氧的自剖析速率仍舊較快,而微納米氣泡的數目得不到補充,導致溶臭氧濃度值的敏捷降落。由于臭氧自己的極不穩固性,各組試驗中終極溶解臭氧均會完全消散,在溶臭氧存在時間的盤算中選取溶解臭氧濃度值降至0.05ppm 所用時間,可以大概反應氣泡增臭氧的連續結果。溶臭氧試驗中微納米氣泡和毫米氣泡試驗中所得到的三個參數如表1所示。從表中可以看出,微納米氣泡的均勻增臭氧速率在毫米級氣泡的3.6倍,微納米氣泡試驗的溶解臭氧峰值可到達毫米級氣泡試驗的5.2倍。從增臭氧速率以及峰值來看,微納米氣泡可以大概明顯加強臭氧的傳質服從。從存在時間來看,固然微納米氣泡試驗中較高的溶解臭氧峰值會導致溶解臭氧濃度在最開端段出現出很快的降落速率,但是對付統一溶解臭氧濃度值,微納米氣泡試驗相對付毫米級氣泡降落速率要更慢。均到達峰值的環境下,微納米氣泡的溶解臭氧存在時間是毫米級氣泡試驗中存在時間的6.5倍。針對臭氧微納米氣泡在水中的溶解歷程,討論微納米氣泡到達溶解均衡狀態時的微觀機理,創建理論模子綜合思量臭氧的溶解傳質、自剖析等歷程,表明臭氧微納米氣泡上升和降落段的變革趨向以及所到達的峰值。在臭氧的溶解傳質歷程中,為了簡化模子,不思量微納米氣泡直徑的變革,且氣泡內部臭氧濃度不產生變革,只在氣泡的數目上產生變革。臭氧在微納米氣泡與水體之間的傳質接納菲克第肯定律氣泡直徑取10μm,臭氧濃度80mg/L,1L水內微納米氣泡數目憑據測定結果定為106個。在峰值時,臭氧微納米氣泡的溶解于自剖析到達均衡,由式(1) (2) 盤算得到均衡時溶解臭氧濃度值為6mg/L,與試驗所得到的峰值6.14ppm 根本符合。對付溶解臭氧濃度變革圖中變革紀律,在上升段,開始通入臭氧微納米氣泡后,單元時間水體內微納米氣泡數目增長量從零剎時增到峰值并連結穩定,氣液間濃度梯度初始時最大,臭氧從氣泡溶解進入水體速率最快,且隨著水體內濃度升高速率漸漸減慢,同時隨著溶解臭氧濃度升高,臭氧自剖析速率加速,以是上升段溶解臭氧濃度上升速率隨濃度值升高而減緩; 在降落段,制止通入微納米氣泡后剎時水體內微納米氣泡數目得不到補充,自剖析作用占據主導,最開始階段溶解臭氧濃度最大,以是濃度的降落速率也最快,今后隨著溶解臭氧濃度降落,自剖析速率呈對數型漸漸減緩,濃度的降落速率也漸漸減慢。2.2 污染物去除試驗污染物去除試驗選取甲基橙作為水體內的代表性有機污染物,試驗中甲基橙的濃度接納分光光度法測定。在長80cm、寬20cm、高20cm 的模子槽內設置裝備部署20L濃度為10mg/L 的甲基橙溶液。通過微納米氣泡機天生臭氧微納米氣泡并通入水體內,控制進氣速率為1L/min,水循環速率為11L/min。利用溶解臭氧濃度傳感器測定水體內溶解臭氧濃度值,并定期抽打水樣舉行甲基橙濃度測定。在反應歷程中,甲基橙濃度連續低落,且初始降落速率較快,隨著甲基橙濃度低落其降落速率也漸漸減緩,在33min左右降解率到達90%。溶解臭氧濃度在初始段小幅上升,上升速率隨甲基橙濃度漸漸加速,當甲基橙降解率到達90%左右時,溶解臭氧濃度上升速率敏捷加速,上升紀律與在純水內雷同。制止臭氧微納米氣泡的通入后溶解臭氧濃度敏捷降落,紀律與在純水內雷同。從上升速率和降落速率來看,當甲基橙降解率到達90%左右后,溶解臭氧濃度的變革環境與在純水內根本雷同。試驗結果表明,通入臭氧微納米氣泡時,在較低的溶解臭氧濃度值下,臭氧就能有用地氧化降解甲基橙,甲基橙開始降解所必要的溶解臭氧濃度值稱為反應閾值,微納米氣泡有用地低落了反應閾值,進步了臭氧的氧化本領。當甲基橙濃度低落時,反應所必要的閾值漸漸升高,溶解臭氧濃度也出現初始段的遲鈍上升; 甲基橙降解率到達90%后,溶液內甲基橙濃度較低,溶解臭氧濃度的變革紀律雷同于在純水內通入臭氧微納米氣泡。由于前述水體的PH值會影響臭氧微納米氣泡的溶解傳質歷程,進一步通過HCLNaOH調治甲基橙溶液PH值,測定PH值對付甲基橙降解速率的影響,在三種PH 值條件下,甲基橙降解率到達50%所必要的時間分別為4min、7min 9min,也即在所選取的PH 值范圍內,甲基橙的降解服從隨PH值的降落而升高。PH=5的條件下甲基橙的降解服從最高,且試驗之后測得PH值變為7,闡明在反應歷程中H 離子大概到場到反應中并加速了甲基橙的降解。通過試驗測定了臭氧微納米氣泡在水體內的溶解傳質歷程,并將溶解臭氧濃度的上升速率、峰值以及降落速率與毫米級氣泡舉行了比擬。微納米氣泡條件下溶解臭氧濃度的上升速率能到達毫米級氣泡條件下的4倍以上; 溶解臭氧濃度能到達的峰值為6.14ppm,為毫米級氣泡條件下的5.1; 溶解臭氧的存在時間明顯增長,到達毫米級氣泡條件下的近十倍。在試驗研究的底子上進一步創建了微納米氣泡的溶解傳質模子,綜合思量臭氧在氣液間的傳質歷程以及水體內的自剖析歷程等,表明試驗中溶解臭氧濃度上升和降落的紀律,憑據模子盤算得到的溶解臭氧濃度峰值與試驗結果根本符合。在對臭氧微納米氣泡傳質效應研究的底子上,進一步研究臭氧微納米氣泡對付水體內甲基橙的氧化降解歷程,并觀察在降解歷程中水體內溶解臭氧濃度值以及甲基橙濃度的變革紀律。試驗結果表明微納米氣泡可以大概明顯進步臭氧的氧化本領,低落與甲基橙反應所必要的臭氧濃度閾值。差別PH值條件下的試驗結果表明H 離子可以大概到場到反應中來進步臭氧對付甲基橙的降解服從。重要開展了臭氧微納米氣泡的溶解傳質特性試驗以及污染物降解試驗,得到以下結論:

        ①微納米氣泡技術可以大概進步臭氧在水體內的溶解傳質服從,加速水體內溶解臭氧濃度上升速率,進步溶解臭氧濃度峰值,并延伸臭氧在水體內的存在時間;

        ②微納米氣泡技術可以大概加強臭氧對付有機污染物的氧化降解本領,低落反應所需濃度閾值,且酸性條件下有機物的降解服從最高。

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