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        納米TiO2處理鉆井廢水研究

        2012-11-22 03:30:54長江大學化學與環(huán)境工程學院湖北荊州434023
        長江大學學報(自科版) 2012年25期
        關鍵詞:反應時間光催化鉆井

        王 松,樊 營 (長江大學化學與環(huán)境工程學院,湖北 荊州 434023)

        王浩任 (中國石化集團工程研究院大陸架公司,山東 德州 253000)

        張順元 (中國石油集團工程研究院海外所,北京 100195)

        納米TiO2處理鉆井廢水研究

        王 松,樊 營 (長江大學化學與環(huán)境工程學院,湖北 荊州 434023)

        王浩任 (中國石化集團工程研究院大陸架公司,山東 德州 253000)

        張順元 (中國石油集團工程研究院海外所,北京 100195)

        油田鉆井廢水成分復雜,若處理不當將會對環(huán)境造成嚴重影響。分析了江漢油田鉆井廢水的水質特性,采用酸化中和、混凝進行預處理,并用納米TiO2對江漢油田鉆井廢水進行了深度處理,同時確定了納米TiO2光催化處理鉆井廢水的適宜條件,即納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右、初始pH值為4、光催化氧化反應時間100~120min、光距40~80mm。試驗結果表明,經(jīng)過處理后的江漢油田鉆井廢水各項污染指標均達到國家規(guī)定的污水排放標準。

        江漢油田;鉆井廢水;納米TiO2

        工業(yè)廢水特別是石油鉆井廢水,這類廢水含有許多對人體有害的物質,如酚類、芳烴及其衍生物、重金屬等,種類繁多,污染環(huán)境,危害人體健康,因而各國政府都對鉆井廢水的處理和排放提出了嚴格的要求,為此研究者提出了相關處理方法[1-6]。下面,筆者利用納米TiO2作為光敏半導體材料催化氧化處理工業(yè)污水,實現(xiàn)回收利用或達標排放,取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

        1 試劑與儀器

        1.1試劑

        硫酸亞鐵銨;重鉻酸鉀;濃硫酸;30%雙氧水;硫酸銀;硫酸汞;FeSO4·7H2O;硫酸鋁;硫酸鐵;氯化鋁、氯化鐵;鄰菲啰啉;納米TiO2。以上藥劑均為化學純。

        1.2儀器

        JJ-1精密增力電動攪拌器;FA-N/JA-N電子天平;pHs-3C精密酸度計;COD125 測定儀;AQ2010濁度儀;高速離心機;紫外燈。

        2 結果與討論

        2.1鉆井廢水水質分析

        由于鉆井廢水種類繁多,成份各不相同,選用江漢油田鉆井廢水作為處理對象,其水質分析結果如表1所示。

        表1 鉆井廢水的水質分析結果

        注:①本標準采用《污水綜合排放標準》GB8978-1996[7]。②COD:化學需氧量。③SS:懸浮物。

        從表1可以看出,該油田鉆井廢水的各項指標均超標,需要進行處理。

        2.2鉆井廢水的預處理

        1)酸化 取水樣加入H2SO4調節(jié)pH值分別為1、2、3、4和5,攪拌后倒入量筒靜置沉淀,取上清液測COD和色度,結果如表2所示。從表2可以看出,pH值為3比較合適。

        表2 酸化處理結果

        2)中和 取經(jīng)酸化至pH值為3的水樣加入NaOH,調節(jié)pH值為8,攪拌后倒入量筒靜置沉淀,取上清液測得結果如下:COD為2360mg/L;色度為140倍(棕黃色);濁度為33.4。

        3)鉆井廢水的混凝處理 將等量150mg/L混凝劑FeCl3、Al2(SO4)3、AlCl3、Fe2(SO4)3分別加入4個干凈燒杯中,再在每個燒杯分別加入100ml經(jīng)過預處理的鉆井廢水。用配制的硫酸溶液調pH值,攪拌30min后靜置60min,待分層后取上層清液測定COD,測試結果如表3所示。

        表3 混凝劑的篩選試驗結果

        由表3可以看出, AlCl3對鉆井廢水的混凝效果明顯優(yōu)于其他混凝劑,故選擇AlCl3為混凝劑。

        2.3納米TiO2深度處理鉆井廢水

        1)TiO2投加量對COD去除率的影響 取6份100ml經(jīng)預處理后的鉆井廢水,在300W紫外燈光照射下,光距為80mm,用NaOH溶液和H2SO4溶液調節(jié)廢液的pH值到4左右,在反應時間為60min的條件下,分別加入不同量的TiO2,結果如表4所示。

        表4 TiO2投加量對COD去除率的影響

        由表4可知,隨著TiO2用量增加,鉆井廢水COD去除率越來越大,在用量為200mg/L時,在一定時間內COD去除率可以達到 68.19%;但當TiO2用量大于200mg/L時,鉆井廢水COD去除率不再增加,反而降低。其原因是當TiO2投加量增加到一定程度時,過量的催化劑反應會造成散射,再加上催化劑相互間的掩蔽作用,使得有效光子產(chǎn)率降低,導致光催化降解率下降。因此,確定納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右。

        表5 初始pH值對COD去除率的影響

        2)初始pH值對COD去除率的影響 取6份100ml經(jīng)預處理后的鉆井廢水,在300W紫外燈光照射下,加入TiO2200mg/L,光距為80mm,反應時間為60min的條件下,用NaOH溶液和H2SO4溶液調節(jié)廢液的pH值,COD去除率如表5所示。從表5可以看出,當溶液的pH值為4時,鉆井廢水COD去除率最大。因此,初始pH值以4為宜。

        3)光催化氧化反應時間對COD去除率的影響 取6份100ml經(jīng)預處理后的鉆井廢水,考慮到廢水中加入納米TiO2后光照反應時間對COD去除率的影響,在300W紫外燈光照射下,加入TiO2200mg/L,用NaOH溶液和H2SO4溶液調節(jié)廢液的pH值在4左右,光距為80mm,反應時間分別為10、30、60、80、100和120min(見表6)。從表6可以看出,隨著反應時間的增長,鉆井廢水COD的去除率逐漸升高,在100min時,去除率上升的幅度很大,這表明在100min時反應已基本完成,因而光催化氧化反應時間以100~120min為宜。

        4)光強對COD去除率的影響 取6份100ml經(jīng)預處理后的鉆井廢水,光強以光距(即光源距反應裝置的距離)來表示。在300W紫外燈光照射下加入TiO2200mg/L,用NaOH溶液和H2SO4溶液調節(jié)廢液的pH值在4左右,反應時間為100min,調節(jié)光距為20、40、60、80、100和120mm(見表7)。

        表6 光催化氧化反應時間對COD去除率的影響

        表7 光距對COD去除率的影響

        從表7可以看出,當光距為40mm時鉆井廢水COD去除率明顯提高。當光距大于80mm后鉆井廢水COD去除率開始降低,說明光強太大或太小都不適于污水中有機物降解。因此,光距取40~80mm較為合適。

        3 處理后的水質分析結果

        江漢油田鉆井廢水在經(jīng)過納米TiO2的深度處理后的水質分析結果如表8所示。從表8可以看出,各項污染指標均能達到國家規(guī)定的污水排放Ⅱ級標準。

        表8 納米TiO2處理后的鉆井廢水水質分析結果

        4 結 語

        江漢油田鉆井廢水成分復雜,各項污染指標嚴重超標,對其處理可采用酸化、中和、混凝和TiO2光催化處理。通過室內試驗確定了TiO2光催化處理鉆井廢水的適宜條件:納米TiO2的適宜用量為200mg/L左右;初始pH值以4為宜;光催化氧化反應時間為100~120min;光距為40~80mm。結果表明,經(jīng)過上述條件處理后的該油田鉆井廢水各項污染指標均能達到國家規(guī)定的污水排放Ⅱ級標準。

        [1]范崇政,肖建平,丁建偉.納米TiO2的制備與光催化反應研究進展[J].科學通報,2001,46(4):256-273.

        [2]羅菊仙,趙中一.半導體多相光催化氧化技術在環(huán)境保護中的應用研究進展[J].中國地質大學學報,2000,25(5):536-541.

        [3]楊合,馬興冠,趙蘇.光催化技術在廢水處理中的應用[J].環(huán)境保護科學,2004,30(2):9-11.

        [4]劉真.井下作業(yè)廢水處理的試驗研究[J].油氣田環(huán)境保護,2000,10(4):19-21.

        [5]王春梅.TiO2光催化性能及在水處理中的應用[J].南通大學學報(自然科學版),2005,4(1):28-31.

        [6]吳斌,王松,喻霞,等.納米TiO2處理油田壓裂廢液研究[J].長江大學學報(自然科學版),2009,6(4):N179-181.

        [7] GB8978-1996,污水綜合排放標準[S].

        10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.017

        X741

        A

        1673-1409(2012)09-N049-03

        2012-06-24

        王松(1964-),男,1985年大學畢業(yè),教授,現(xiàn)主要從事油田化學方面的教學與研究工作。

        [編輯] 李啟棟

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