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        微波加熱法脫除煉焦剩余氨水氨氮的工藝研究

        2010-06-04 07:18:50呂早生,魏濤,郭官安
        化學(xué)與生物工程 2010年2期
        關(guān)鍵詞:水流量氨水氣液

        剩余氨水是焦化廢水的主要來源,其水量大、水質(zhì)復(fù)雜、污染物濃度高,其中氨氮含量高達(dá)3000~5000 mg·L-1。如果不經(jīng)處理就大量排放,不僅會污染水環(huán)境,而且會造成用水設(shè)備中微生物繁殖,形成生物垢,堵塞管道和用水設(shè)備,影響熱交換[1]。國內(nèi)外成熟的氨氮脫除方法有生物法、蒸氨法、催化濕式氧化法[2]、化學(xué)沉淀法[3]及煤氣吹脫氨技術(shù)[4]等。

        武鋼焦化廠將脫硫工序產(chǎn)生的廢堿液用于分解氨水中的固定氨(廢堿液的主要組分是Na2CO3,還含有少量的Na2S和NaHCO3),實現(xiàn)了廢物的綜合利用,降低了生產(chǎn)成本,但廢堿液對固定氨的分解效果并不太好,蒸氨塔出塔廢水中總氨含量為400~500 mg·L-1,超過后續(xù)處理所規(guī)定的達(dá)標(biāo)值300 mg·L-1。為了進(jìn)一步降低焦化廢水中的固定氨含量,作者采用微波加熱和空氣吹脫聯(lián)合處理工藝,對剩余氨水中氨氮進(jìn)行脫除,以使剩余氨水中氨氮含量低于300 mg·L-1。

        1 實驗

        1.1 原理

        1.2 儀器

        PJ23 c-sc1型美的微波爐,ZB-0.01/7型微型空氣壓縮機(jī),DP-125型微型高壓隔膜泵,玻璃反應(yīng)釜,轉(zhuǎn)子流量計。

        1.3 方法

        1.3.1 靜態(tài)實驗

        取100 mL剩余氨水于500 mL燒杯中,加入1.0008 g氫氧化鈉,調(diào)節(jié)微波功率至720 W,微波輻射5 min,測定剩余氨水中的氨氮含量。

        1.3.2 動態(tài)實驗

        在剩余氨水流量為4 mL·min-1、加堿量與剩余氨水的體積比為0.15∶1、微波功率為720 W、空氣流量為0.6 m3·h-1的條件下吹脫,測定吹脫平衡后剩余氨水中的氨氮含量。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 微波加熱靜態(tài)實驗

        2.1.1 加堿量對氨氮脫除率的影響

        在100 mL剩余氨水中加入不同量的堿,在微波功率720 W下輻射5 min,考察加堿量對氨氮脫除率的影響,結(jié)果見表1。

        表1 加堿量對氨氮脫除率的影響

        由表1可看出,氨氮脫除率隨加堿量的增加而增大。在加堿量為1.0032 g·(100 mL)-1時,脫除率達(dá)到最大,為98.14%。這是因為加堿量越大,剩余氨水的堿性越強(qiáng),溶液中的氨以游離氨的形式存在的比例越大,氨氮脫除率相應(yīng)增大。

        2.1.2 微波輻射時間對氨氮脫除率的影響

        在100 mL剩余氨水中加入一定量的堿,微波功率為720 W,考察微波輻射時間對氨氮脫除率的影響,結(jié)果見表2。

        表2 微波輻射時間對氨氮脫除率的影響

        由表2可看出,氨氮脫除率隨輻射時間的延長而增大。微波輻射時間不足5 min時,脫除率的增幅較大;微波輻射時間超過5 min時,脫除率的增幅很小。這是因為,微波輻射時間越長,溶液產(chǎn)生熱量越大,溶液的溫度越高,而氨在剩余氨水中的溶解度隨溫度的升高而降低,溫度越高,越有利于氨氮的脫除。當(dāng)微波輻射時間超過5 min后,溶液中的氨氮濃度降到很低,氣液兩相濃度差較小,傳質(zhì)推動力變小,從液相轉(zhuǎn)移到氣相的氨變少,使得脫除率增幅變小。

        2.1.3 微波功率對氨氮脫除率的影響

        在100 mL剩余氨水中加入1.0008 g堿,微波輻射5 min,考察微波功率對氨氮脫除率的影響,結(jié)果見表3。

        表3 微波功率對氨氮脫除率的影響

        由表3可看出,氨氮脫除率隨微波功率的增大而增大。微波功率小于720 W時,脫除率增幅很大;微波功率大于720 W時,脫除率增幅很??;微波功率為900 W時,氨氮脫除率達(dá)到98.72%。這是因為,微波功率越大,同一時間內(nèi)溶液產(chǎn)生的熱量越大,溶液溫度越高,越有利于氨氮的脫除。

        2.2 微波加熱和空氣吹脫動態(tài)實驗

        2.2.1 空氣流量對氨氮脫除率的影響(圖1)

        圖1 空氣流量對氨氮脫除率的影響

        由圖1可知,氨氮脫除率隨空氣流量的增大而升高??諝饬髁啃∮?.5 m3·h-1時,脫除率上升較快;空氣流量大于0.5 m3·h-1時,脫除率升幅趨緩,此時空氣流量對氨氮脫除率影響較小。這是因為,氣液傳質(zhì)的速度取決于氣液兩相的濃度差,當(dāng)空氣流量增大時,氣體中氨氮的濃度降低,氨氮在氣液兩相中的濃度差增大,從而加快了氣液的傳質(zhì)速度、強(qiáng)化了溶液中氣液兩相的傳質(zhì)。因此,選擇0.4 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.6 m3·h-1作為空氣流量因素的3個水平來進(jìn)行正交實驗。

        2.2.2 剩余氨水流量對氨氮脫除率的影響(圖2)

        圖2 剩余氨水流量對氨氮脫除率的影響

        由圖2可知,隨剩余氨水流量的增大,氨氮脫除率逐漸降低。當(dāng)剩余氨水流量從4 mL·min-1增大到8 mL·min-1時,氨氮脫除率約降低10%。這是因為,剩余氨水流量增大,同一時間內(nèi)進(jìn)入反應(yīng)釜的氨氮量就增加,液相中氨氮濃度增加,氣液傳質(zhì)的速度加快,空氣帶走的氨氮量也會增加,但是同一時間內(nèi)因氣液傳質(zhì)加快帶走的氨氮量小于進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)的氨氮量,因此反應(yīng)釜內(nèi)殘留氨氮的濃度也就高,導(dǎo)致氨氮脫除率降低。因此,選擇4 mL·min-1、6 mL·min-1、8 mL·min-1作為剩余氨水流量因素的3個水平進(jìn)行正交實驗。

        2.2.3 加堿量與剩余氨水體積比對氨氮脫除率的影響(圖3)

        圖3 加堿量與剩余氨水體積比對氨氮脫除率的影響

        由圖3可知,氨氮脫除率隨加堿量與剩余氨水體積比的增大而升高, 當(dāng)加堿量與剩余氨水體積比增加到0.15∶1時,氨氮脫除率升幅趨緩;當(dāng)加堿量與剩余氨水體積比為0.18∶1時,堿已經(jīng)過量,溶液中游離氨的濃度趨于穩(wěn)定,氨氮脫除率也趨于穩(wěn)定。這是因為,加堿量越大,氫氧根離子濃度越大,反應(yīng)朝右進(jìn)行,剩余氨水中游離氨濃度越多,液相中氨的濃度越大,氣液兩相界面上氨的濃度差越大,氨的擴(kuò)散速度越快,越利于氨的脫除。因此,選擇0.12∶1、0.15∶1、0.18∶1作為加堿量與剩余氨水體積比因素的3個水平進(jìn)行正交實驗。

        2.2.4 微波功率對氨氮脫除率的影響(圖4)

        圖4 微波功率對氨氮脫除率的影響

        由圖4可知,氨氮脫除率隨微波功率的增大而升高。當(dāng)微波功率小于450 W時, 氨氮脫除率升幅較大;當(dāng)微波功率大于450 W時,氨氮脫除率升幅趨緩。這是因為,微波功率增大,剩余氨水中產(chǎn)生的熱量增加,溶液溫度快速升高,氨氮脫除率增加較快;而微波功率大于450 W時,剩余氨水短時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量很大,有一部分熱量被水汽帶走,溶液溫度升高不顯著,導(dǎo)致氨氮脫除率增加較小。因此,選擇270 W、450 W、720 W作為微波功率因素的3個水平進(jìn)行正交實驗。

        2.2.5 正交實驗(表4)

        由表4可以看出,各因素對氨氮脫除率的影響大小依次為:剩余氨水流量>微波功率>加堿量與剩余氨水的體積比>空氣流量。由表4還可看出,實驗9處理效果較好,且與單因素實驗得到的最佳實驗條件相符;實驗5中加堿量較大,導(dǎo)致處理后的剩余氨水的pH值較大,影響剩余氨水的下一級生化處理,因此,確定最佳工藝條件為:剩余氨水流量4 mL·min-1、微波功率720 W、空氣流量0.6 m3·h-1、加堿量與剩余氨水的體積比0.15∶1,此條件下氨氮脫除率達(dá)到94.58%,吹脫后剩余氨水中氨氮含量降到了287 mg·L-1。

        3 結(jié)論

        (1)微波加熱靜態(tài)實驗中,在微波功率為900 W時加熱5 min就能使氨氮脫除率達(dá)到98.72%,說明靜態(tài)實驗中采用微波加熱法能在短時間內(nèi)脫除剩余氨水中大量的氨氮。

        (2)微波加熱和空氣吹脫動態(tài)實驗中,各因素對氨氮脫除率的影響大小依次為:剩余氨水流量>微波功率>加堿量與剩余氨水體積比>空氣流量。

        (3)動態(tài)實驗的最佳工藝條件為:剩余氨水流量4 mL·min-1、微波功率720 W、空氣流量0.6 m3·h-1、加堿量與剩余氨水體積比0.15∶1,在此條件下,氨氮脫除率達(dá)到94.58%,吹脫平衡后氨氮含量為287 mg·L-1。

        表4 L9(34)正交實驗結(jié)果與分析

        參考文獻(xiàn):

        [1] 周彤.污水的零費(fèi)用脫氮[J].給水排水,2000,26(2):37-39.

        [2] 李達(dá),楊鳳玲,李華,等.淺談氨氮廢水處理技術(shù)[J].煤化工,2006,34(2):25-28.

        [3] Li X Z, Zhao Q L,Hao X D. Ammonium removal from landfill leachate by chemical precipitation[J]. Waste Management, 1999, 19(6): 409-415.

        [4] 文艷,王光華.煤氣脫除解吸法脫除廢氨水中氨氮的新技術(shù)[J].燃料與化工,2007,38(1):31-33.

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