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(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

近年來，水污染越來越嚴(yán)重，例如2005年11月中石油吉林石化公司雙苯廠苯胺車間發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致約100 t苯、苯胺和硝基苯等有機污染物流入松花江，發(fā)生重大水污染事件.硝基苯無色劇毒，常用于有機合成，染料和農(nóng)藥等領(lǐng)域.對硝基苯酚是醫(yī)藥、農(nóng)藥和染料等精細化學(xué)品中間體，停留在自然界中時間較長，難被生物降解，是USEPA列出的優(yōu)先控制污染物之一[1]，也是我國水環(huán)境要優(yōu)先控制的污染物之一.常規(guī)處理很難凈化，相對來說新型水處理技術(shù)更有長遠意義.2001年Sivakumar等[2]采用孔板水力空化裝置成功處理了印染廢水和Rhodamine B，結(jié)果表明不同孔板能有效控制空化強度與空化數(shù)，可有效處理該類廢水.張曉冬等[3]對KI溶液分解反應(yīng)進行了實驗研究，結(jié)果表明水力空化能夠引發(fā)或強化某些化學(xué)反應(yīng)，其作用強度取決于空化發(fā)生的狀態(tài)、空化引發(fā)自由基的數(shù)量和反應(yīng)物濃度等.俞小偉等[4-6]利用摻氣泡對空蝕區(qū)空化水流特性進行研究，陳圻圻等[7-8]利用FLOW-3D軟件分別對三角形孔口及方形孔口多孔板的水力空化特性進行了數(shù)值模擬，得出三角形孔口多孔板、矩形孔口多孔板均能達到增強空化的作用，多孔板的水力空化特性不僅與流速有關(guān)，而且還與多孔板的孔口形狀、孔口大小及布置方式有關(guān).現(xiàn)基于浙江工業(yè)大學(xué)水動力學(xué)實驗室設(shè)計的水力空化裝置，探究了文丘里管與圓形孔口多孔板的不同組合裝置在不同條件下對降解硝基苯和對硝基苯酚混合廢水的影響.

1 水力空化裝置與方法

試驗裝置是以水力空化反應(yīng)裝置為核心組成的封閉水力循環(huán)系統(tǒng).水箱中的水經(jīng)兩臺串聯(lián)離心泵，抽送到壓力管然后分流，一部分水通過主管線進入空化反應(yīng)器，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計匯入水箱，另一部分水通過旁通管回流水箱，調(diào)節(jié)實驗流量實現(xiàn)循環(huán).水力空化反應(yīng)裝置由文丘里管與圓形孔口多孔板段組合而成，一部分為文丘里管水力空化裝置，文丘里管入口段與出口段都為方形斷面，喉部兩側(cè)及頂部用有機玻璃加工而成.另一部分為圓形孔口多孔板水力空化發(fā)生裝置，孔板為50 mm×50 mm×5 mm的不銹鋼板，其參數(shù)見表1.其后為方形觀察段，其兩側(cè)及頂部用有機玻璃加工而成，多孔板嵌入在觀察段進口處，觀察段前端與文丘里管擴散段連接，后端通過方圓接口與管路連接.

表1 圓形孔口多孔板的幾何參數(shù)

試驗用廢水為對硝基苯酚與硝基苯的混合物，其配比為1∶1，相應(yīng)的初始質(zhì)量濃度分別為5，10，20，30，50，75，100，125，150 mg/L，針對各變量采用單因素分析法分析污染物的降解率.試驗流量采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計進行量測；廢水循環(huán)周期通過時間間隔來調(diào)節(jié)；采用雙光束紫外可見光光度計(TU-1901)對混合物廢水進行分析，用質(zhì)量濃度分別為5，10，20，30，50，75，100，120，150，200 mg/L的鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制COD與吸光度的關(guān)系曲線，曲線方程為

A=0.006 56C-0.002 31

(1)

式中C為鄰苯二甲酸氫鉀溶液的質(zhì)量濃度(mg/L).取樣測定水力空化作用后的混合物的吸收光譜，根據(jù)Beer定律和COD換算公式，最終得到混合物廢水的質(zhì)量濃度.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 圓形孔口多孔板孔徑的影響

實驗過程中，采用圓形孔口多孔板1和4處理混合廢水，在開啟兩臺串聯(lián)水泵進口壓力為0.8 MPa的工況下，針對不同質(zhì)量濃度運行60 min后取樣分析，結(jié)果如圖1所示，開孔數(shù)量一致情況下，孔徑大的圓形孔口多孔板處理效果好.這是因為在孔口數(shù)量相同的情況下，孔徑增大，使多股射流間距縮小、射流摻混劇烈，以致紊動強度增加.能使水流較為均勻的流出，出流更加順暢，孔板處的平均流速也相應(yīng)增大，其相應(yīng)的空化數(shù)減小，空化強度增強.

圖1 多孔板孔徑對降解率的影響

2.2 圓形孔口多孔板孔口數(shù)量的影響

在相同工況下，采用圓形孔口多孔板3和4處理不同質(zhì)量濃度的硝基苯和對硝基苯酚的混合廢水，結(jié)果如圖2所示.在孔口直徑相同的情況下，孔口數(shù)量愈多，處理效果愈好.開孔數(shù)量多，經(jīng)過孔板的流量就增多，則局部阻力損失也相應(yīng)增大，孔口形成的多股射流相互摻混卷吸程度越強，在液體內(nèi)部更容易產(chǎn)生高紊動剪切場，可以使其更容易產(chǎn)生更多的空泡，空泡潰滅的作用力就越大，空化作用就越強.

圖2 多孔板孔口數(shù)量對降解率的影響

2.3 混合物廢水初始質(zhì)量濃度的影響

圖3為硝基苯與對硝基苯酚混合物初始質(zhì)量濃度對降解率影響的試驗結(jié)果，從圖3中不難看出：混合廢水初始質(zhì)量濃度越高，其降解率越大，但當(dāng)初始質(zhì)量濃度超過50 mg/L后，降解率逐漸變小，由此可知質(zhì)量濃度為50 mg/L左右的廢水降解率最大.在這個濃度下空化氣泡可以完全的與有機物顆粒接觸反應(yīng)，而低濃度由于空化泡存在富余浪費，空化效果不完全；高濃度在空化泡用盡之時還有有機物未被降解，因此導(dǎo)致降解率低.

圖3 初始質(zhì)量濃度的影響

2.4 運行時間的影響

運行時間對降解率的影響如圖4所示，可知在30～45 min內(nèi)降解速度最快，且時間越長降解率越高.這是由于循環(huán)的廢水連續(xù)不斷地通過文丘里管和圓形孔口多孔板，持續(xù)兩次空化，·OH產(chǎn)量增加，隨著時間的增加，廢水受到空化作用的次數(shù)增多，降解污染物更有效.

圖4 運行時間的影響

2.5 水溫的影響

水力空化機理為:空泡潰滅時形成局部高溫、高壓并瞬間釋放的能量可破壞水分子結(jié)合鍵，產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)活潑的·OH，而·OH及其生成的雙氧水H2O2是強氧化劑，有助于強化各種物化反應(yīng).硝基苯和對硝基苯酚廢水的水力空化降解涉及單分子均裂反應(yīng)的各種類型，如單鍵斷裂成自由基、重排、開環(huán)等反應(yīng)類型，而空泡潰滅時大量產(chǎn)生的·OH可加強這類復(fù)雜的反應(yīng).圖5結(jié)果顯示：在液體未沸騰的情況下，高溫條件下的降解率比低溫時大，說明高溫下產(chǎn)生了更多的·OH，從而使C—O鍵和C—N斷裂的速率比低溫時快得多，提高了COD的降解率.

圖5 水溫的影響

3 結(jié) 論

通過利用文丘里管與圓形孔口多孔板組合的水力空化裝置在不同情形下對硝基苯與對硝基苯酚混合物廢水的處理及分析，結(jié)果表明:在孔口直徑相同的情況下，孔口數(shù)量愈多廢水處理效果愈好；在開孔數(shù)量相同的情況下，孔徑大的圓形孔口多孔板的廢水處理效果好；降解率受廢水溶液初始濃度的影響，對質(zhì)量濃度為50 mg/L左右的廢水的降解作用最好；在1 h內(nèi)增加運行時間，即增加了廢水空化作用次數(shù)，空化強化效應(yīng)呈線性增強；高溫可強化空化效果，提高污染物的降解率.

參考文獻：

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[2] SIVAKUMAR M, MOHOLKLAR V S, PANDIT A B. Modeling of hydrodynamic cavitation reactors: a unified approach[J]. Chemical Engineering Sciences,2001,56:6295-6302.

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