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        超臨界水氧化技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的局限性

        2016-05-14 13:30:47任松宇李斌趙光明
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年4期

        任松宇 李斌 趙光明

        摘 要:超臨界水氧化是在高溫高壓下(通常反應(yīng)溫度400℃-600℃,反應(yīng)壓力25MPa-40MPa),以超臨界水為媒介氧化分解有機(jī)物,達(dá)到凈化有機(jī)廢水的一種新型技術(shù)。目前在國內(nèi),使用超臨界水氧化技術(shù)處理有機(jī)廢水還沒被工業(yè)上廣泛采用,這是由于它在應(yīng)用中存在鹽堵塞、腐蝕等缺點(diǎn)。本文介紹了超臨界水氧化技術(shù)及其機(jī)理,并探討了該技術(shù)在發(fā)展中的局限性。

        關(guān)鍵詞:超臨界水氧化及機(jī)理;工業(yè)化應(yīng)用;局限性

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.008

        1 引言

        超臨界水氧化(SCWO)法是指有機(jī)廢物和空氣、氧氣等氧化劑在超臨界水中進(jìn)行氧化反應(yīng)而將有機(jī)廢物去除,超臨界水氧化技術(shù)中的系統(tǒng)反應(yīng)速率快,有機(jī)物中的C、H、O最終轉(zhuǎn)化成CO2和H2O[1],而N、S、P則相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為N2、SO42-、PO43-,有效地降解有機(jī)物并且不會形成二次污染[2]。最近幾年,超臨界水氧化技術(shù)處理有機(jī)廢水有了比較多的研究,從研究的成果來看,有機(jī)廢水經(jīng)過超臨界水氧化系統(tǒng)的凈化,達(dá)到99%以上的去除率,效果非常好。

        2 超臨界水氧化技術(shù)的機(jī)理

        在超臨界水氧化過程中,主要的是氧化反應(yīng),還存在著脫水和聚合等反應(yīng)。目前被廣泛接受的超臨界水氧化機(jī)理,是Li.L等[3]提出的自由基反應(yīng),這其中包括鏈的引發(fā)、鏈的發(fā)展或傳遞和鏈的終止[4]。

        (1)鏈的引發(fā):反應(yīng)物分子生成最初自由基,這個過程通過加入引發(fā)劑氧氣或者雙氧水,引發(fā)劑所引發(fā)的自由基與氧氣生成過氧化自由基[5].

        (2)鏈的發(fā)展或傳遞:即自由基與各類分子相互反應(yīng)的交替過程,包括氫過氧化物和自由基的破壞和再現(xiàn),此過程易于進(jìn)行。

        (3)若自由基經(jīng)過碰撞生成穩(wěn)定分子,則鏈發(fā)展被終止。

        氮化合物若徹底氧化會變成N2,但是實驗證明要轉(zhuǎn)化為氮?dú)庑枰^600℃,所以400℃時候一般會生產(chǎn)大量NH3,因為NH3特別難氧化,所以是有機(jī)氮變?yōu)榈獨(dú)獾目刂撇襟E。

        3 超臨界水氧化技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的局限性

        超臨界水氧化技術(shù)以超臨界水為反應(yīng)介質(zhì),具有效率高,處理徹底的優(yōu)點(diǎn),屬于綠色化學(xué)發(fā)展的方向。但其工業(yè)應(yīng)用卻存在很多困難,所以并沒有成為主流的有機(jī)廢水處理技術(shù)[4,6]。主要有以下三方面的原因。

        3.1 鹽沉淀造成堵塞

        常溫下,水對大多數(shù)鹽來說是一種優(yōu)異的溶劑,溶解度可達(dá)100g/L。而大部分鹽在低密度的超臨界水中溶解度很低[7]。在超臨界水氧化技術(shù)中,鹽的溶解度隨著反應(yīng)系統(tǒng)中的溫度不斷上升而降低,液體中析出的顆粒物附著在內(nèi)壁和內(nèi)構(gòu)件上,引起堵塞,從而導(dǎo)致超臨界系統(tǒng)無法正常操作。

        3.2 反應(yīng)器腐蝕

        在超臨界水氧化系統(tǒng)中,復(fù)雜的廢水成份會對反應(yīng)系統(tǒng)器件產(chǎn)生腐蝕。常規(guī)材料在超臨界條件下會發(fā)生局部腐蝕。這個問題使得超臨界水氧化技術(shù)的應(yīng)用受到了極大的限制。氧化性高溫水介質(zhì)的腐蝕分為晶界腐蝕(輕微腐蝕),孔蝕(快速局部腐蝕),過鈍化溶解腐蝕(快速均勻腐蝕) [8]。

        3.3 催化劑的二次污染

        在超臨界水氧化系統(tǒng)中,添加的催化劑和廢水是混合在一起的,催化劑不完全反應(yīng)會對環(huán)境造成二次污染,在高溫高壓的超臨界環(huán)境中,雖然對催化劑也有一定的溶解性,但長期使用也會引起催化劑的流失,造成催化活性下降和二次污染[7]。所以,在工業(yè)的實際應(yīng)用中就要增加后續(xù)處理,從超臨界系統(tǒng)的出水中處理多余的催化劑,這樣使得廢水的處理成本提高,不利于工業(yè)利用。

        4 總結(jié)

        針對超臨界水氧化技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中的局限性,未來應(yīng)該以對應(yīng)的解決辦法作為研究重點(diǎn)。

        (1)解決堵塞問題的辦法是使廢水中的鹽濃度最低化。在進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)前,通過預(yù)處理將廢水中的鹽去除,使其鹽濃度最低。尤其是高濃度的含鹽廢水,可以先分離鹽后再進(jìn)行超臨界反應(yīng)。

        (2)對于超臨界水氧化反應(yīng)中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)所產(chǎn)生的腐蝕問題,可以在進(jìn)行反應(yīng)前,分析在反應(yīng)系統(tǒng)中哪個部位會產(chǎn)生哪種酸性物質(zhì),然后采用對應(yīng)的防腐材料制成反應(yīng)系統(tǒng)的器件,使腐蝕降到最低的程度。

        (3)在超臨界的反應(yīng)條件下,使用更具良好性能的催化劑,使其在反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)完全,降低二次污染的發(fā)生率。

        參考文獻(xiàn):

        [1]向波濤,王濤.催化超臨界水氧化反應(yīng)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,1999(06):19-20.

        [2]王科,沈崢,張敏等.丙烯腈廢水處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù),2014,02(40):8-12.

        [3]LIL.Generalized kinetic model for wet oxidation of organic compounds[J].AIChE Journal, 2004,37(11):1687-1697.

        [4]王毓.超臨界水氧化甲醇反應(yīng)動力學(xué)模型[D].四川大學(xué),2004:20-21.

        [5]歐陽創(chuàng).超臨界水氧化法處理有機(jī)污染物研究[D].上海交通大學(xué),2013:3-5.

        [6]朱飛龍.超臨界水氧化法處理城市污水處理廠活性污泥[D].東華大學(xué),2009:5-21.

        [7]黃曉芳.有機(jī)污染物的超臨界催化氧化[J].廣東化工,2010,5(37):283-285.

        [8]盧建樹.超臨界水氧化系統(tǒng)中合金腐蝕研究[D].浙江大學(xué), 2001:12-20.

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