陸玉江+楊永根

摘 要：為了提高臭氧的利用率，在臭氧氧化的過程中加入一定量的催化劑，并用陶粒作為負(fù)載體。通過以粉煤灰和粘土為原料的陶粒，采用不同的燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度、負(fù)載比和pH等進(jìn)行試驗及對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析的方法，研究了不同情況下的陶粒在多項催化臭氧氧化DOP廢水下的處理效果。實驗結(jié)果表明，在燒結(jié)溫度為1050℃，燒結(jié)時間為15min，負(fù)載比為Fe：Mn=1：2的條件下，對COD的去除率可達(dá)83.9%，表明了在此條件下對于DOP有機廢水的去除效果最佳。

關(guān)鍵詞：粉煤灰陶粒；光催化氧化；臭氧；DOP有機廢水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.223

隨著化工、染料、醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展，高濃度難生化降解廢水越來越多。催化臭氧化技術(shù)作為一種降解有機污染物的高效技術(shù)逐漸受到人們的重視。它具有氧化能力強、無二次污染、產(chǎn)生浮渣和污泥量較少等優(yōu)點，但臭氧化技術(shù)存在利用率不高、耗電量大等缺點。若在臭氧氧化過程中加入催化劑，不但可以提高臭氧的利用率，而且可以提高有機物的礦化度。陶粒作為一種輕集料，可以取代普通砂石配制輕集料混凝土，近來受到了有關(guān)部門及科研人員的注視，而其強度大、疏松多孔、比表面積大[1]，適合做催化劑載體的水處理方面運用則少見報道。為此，本文以某電廠粉煤灰為原料，制備出多孔陶粒，并將其作為臭氧氧化固態(tài)催化劑的載體來加強臭氧氧化。

1 實驗部分

1.1 原料及原水質(zhì)

本實驗以粉煤灰為主要原料，添加粘土和硅酸鈉為輔料燒制陶粒。實驗所用的粉煤灰為常州市某發(fā)電廠產(chǎn)生的細(xì)灰，粉煤灰中SiO2含量較高，同時含有Al2O3和Fe2O3。

鄰苯二甲酸二辛酯（DOP），是目前產(chǎn)量及消費量最大的一種通用型增塑劑，也是環(huán)境污染物潛在的主要來源之一[2-3]。原水水質(zhì)采用模擬DOP廢水：取0.1ml鄰苯二甲酸二辛脂溶于100ml無水乙醇中，水質(zhì)指標(biāo)COD為1000～1200mg/L。

1.2 試驗裝置

試驗裝置為自制，包括無極光源、催化氧化降解槽及輔助設(shè)施。具體見圖1。

1.3 試驗方法

將粉煤灰、粘土和一定量的硅酸鈉由不同比例混合，人工制成5～12mm的料球，然后將制成的料球放入烘箱中干燥2h，隨后進(jìn)入高溫階段進(jìn)行焙燒，最后冷卻至室溫制得陶粒[4]。選取合適的催化劑活性組分鐵錳負(fù)載于陶粒[5，6]，運用多相催化臭氧氧化法降解塑化劑DOP有機廢水。以COD為指標(biāo)，考察臭氧流量、催化劑投加量、pH和反應(yīng)時間等影響因素，開展多相催化臭氧氧化降解塑化劑DOP有機污染物的研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度的影響

本研究運用控制變量法進(jìn)行試驗，考察燒結(jié)溫度分別為950、1000、1050、1100、1150℃，其余的制備條件相同情況下制備出的陶粒的比表面積。實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著燒結(jié)溫度升高，粉煤灰陶粒比表面積逐漸增加，當(dāng)上升到1050℃后，比表面積隨溫度升高反而下降。主要是因為在850～900℃之間碳化鈣發(fā)生強烈分解并產(chǎn)生強烈的分解并產(chǎn)生CO2，接近900℃使硫化物進(jìn)行氧化分解產(chǎn)生SO2，在1000℃以下Fe2O3開始分解并參與料球的膨脹，在此階段，料球產(chǎn)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，包括晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可還原的轉(zhuǎn)變，新晶體的析出等。因此，選取1050℃作為粉煤灰陶粒最佳燒結(jié)溫度。

2.2 燒結(jié)時間的影響

實驗選取5、10、15、20、25min 5個時間，將干燥2h后的生料球在450℃下預(yù)熱20min，然后在1050℃下分別焙燒5、10、15、20、25min，待自然冷卻后測定其比表面積。實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出燒結(jié)時間為15min時制出的陶粒的比表面積最大，這是因為在高溫條件下，原粒先開始出現(xiàn)液化，隨后氣泡隨溫度增加而增加，此時氣體產(chǎn)物的壓力增加而逸出阻力卻相對減少。在原料達(dá)到晶體轉(zhuǎn)型后，保溫時間不宜過長，才能保持陶粒內(nèi)部良好的孔徑。同時也本著節(jié)約能源的原則，確認(rèn)最佳燒結(jié)時間為15min。

2.3 負(fù)載比的確定

本實驗催化劑采用浸漬法制備。把載體放到活性組分的可溶性鹽溶液中浸漬后加熱使之干燥，再分解硫酸鹽，催化劑組分就沉積在載體的外表面以及載體的內(nèi)表面。首先，催化劑需要進(jìn)行預(yù)處理，將粉煤灰陶粒在質(zhì)量濃度為5%的NaOH溶液浸漬24h，過濾后用去離子水洗滌至中性，再利用體積比為5%的硝酸溶液浸漬24h，用去離子水洗滌至中性后存儲備用。其次，根據(jù)浸漬法對粉煤灰陶粒進(jìn)行負(fù)載。

此階段主要考察不同鐵錳比對DOP廢水COD去除率的影響。分別取2g鐵錳摩爾比為1：1、1：2、2：1、1：3、3：1的催化劑，加入100mL的DOP廢水，pH為3，臭氧通氣量為0.2L/min，每隔10min取樣，測定結(jié)果如下圖4。

由圖4可知，隨著時間的增加，不同鐵錳比對COD的去除率逐漸增加，顯然當(dāng)Fe：Mn為1：2時，污染物的去除效果最高，因此，選用Fe：Mn摩爾比為1：2時，負(fù)載于催化劑載體陶粒。

2.4 多相催化臭氧氧化DOP廢水

本實驗選取粉煤灰陶粒投加量，pH和臭氧通量，以COD去除率為響應(yīng)值，試驗對多相催化臭氧工藝進(jìn)行優(yōu)化，主要是尋找最佳反應(yīng)條件使得響應(yīng)值最大化。最佳工藝條件為：陶粒投加量為2.5g，pH為4.83，F(xiàn)e：Mn為1：2，臭氧通量為10g/h，COD去除率最大可達(dá)83.9%。

3 結(jié)論

（1）利用正交實驗考察制備粉煤灰陶粒的因素，原料最佳配比：粉煤灰70%、粘土10%、硅酸鈉20%，三種原料對陶粒比表面積的影響順序：粉煤灰>粘土>硅酸鈉。

（2）利用單因素實驗考察燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間對制備陶粒性能的影響，確定最佳燒結(jié)溫度為1050℃，燒結(jié)時間為15min，預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時間為30min。

（3）最佳工藝條件為：陶粒投加量為2.5g，pH為4.83，F(xiàn)e：Mn為1：2，臭氧通量為10g/h，COD去除率最大可達(dá)83.9%。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷國元，王德民，楊家軒等.粉煤灰基多孔陶粒制備及其生物載體除污效果[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，36（01）59-63.

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