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        膜分離耦合氧化技術(shù)降解草甘膦副產(chǎn)鹽中有機物

        2020-10-23 04:28:04丁國良趙經(jīng)緯程棋波
        山東化工 2020年17期

        石 進,魏 超,丁國良,趙經(jīng)緯,程棋波

        (1.南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司,江蘇 南通 226006;2.杭州天創(chuàng)環(huán)境科技股份有限公司,浙江 杭州 311121)

        目前,國內(nèi)大都采用甘氨酸法生產(chǎn)草甘膦,甘氨酸法生產(chǎn)草甘膦工藝在中國草甘膦有效產(chǎn)能中占比接近7成[1],其中甘氨酸-亞磷酸二甲酯法工藝最為成熟,應(yīng)用最為廣泛。草甘膦是一種無殘留滅生性、非選擇性的除草劑,在農(nóng)作物領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計,每生產(chǎn)一噸的草甘膦原藥會產(chǎn)生大約17 t的草甘膦廢水[2]。

        由于草甘膦廢水的含鹽量較高,兼具高濃度、高毒性的特點,無法采用生化法處理[3]。Xie等[4]用Osmonics公司生產(chǎn)的納濾膜Desal-5DK分離處理草甘膦廢水,當控制運行壓力在2.0 MPa左右時,納濾膜Desal-5DK 對草甘膦的截留率為95.5%。李永峰等[5]采用次氯酸鈉氧化協(xié)同磷酸銨鎂沉淀法處理草甘膦廢水并進行磷的回收。當料液pH值為9.0,反應(yīng)時間為15 min,氮磷物質(zhì)的量比為1.4,鎂磷物質(zhì)的量比為1.2,在此條件下磷酸鹽回收率達99.3%。Liu[6]等采用CaO沉淀法和高級氧化法(AOPs)兩種工藝對廢水中的無機磷和有機磷進行了降解。結(jié)果表明,在沉淀過程中,在200 mL草甘膦廢水中加入1 g氧化鈣時,TP的去除率為79%,而在二級處理單元后采用高級氧化工藝時,TP的去除率接近99%。

        草甘膦母液在經(jīng)過本公司:杭州天創(chuàng)的膜分離技術(shù)發(fā)明專利處理之后[7],草甘膦回收的目的得以實現(xiàn),但同時也產(chǎn)生了含有高鹽和有機物的膜淡液。目前,采用蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)處理膜淡液,得到草甘膦副產(chǎn)鹽,由于草甘膦副產(chǎn)鹽中含有大量的有機物,因其處理難度大,成本高,企業(yè)無法承受,只能用作固廢處理?!缎鹿虖U法》頒布以來,固廢處理成本提高。在此背景下,需要開發(fā)出一種新技術(shù)降解草甘膦副產(chǎn)鹽中有機物,使得精制后的草甘膦副產(chǎn)鹽或鹽水能夠應(yīng)用于氯堿等其他行業(yè),實現(xiàn)草甘膦副產(chǎn)鹽的資源化回用。

        1 實驗部分

        1.1 儀器與試劑

        HJ-6A 數(shù)顯恒溫磁力加熱攪拌器,F(xiàn)A2004N 型電子分析天平,pH S-25型pH 計,杭州天創(chuàng)環(huán)境科技股份有限公司納濾膜設(shè)備(納濾膜型號NF-4040-HR),TOC 測定儀(SieversInnovOx Laboratory TOC Analyzer);過硫酸鉀(AR),次氯酸鈉(10%,以有效氯計),鹽酸(AR),氫氧化鈉(AR),草甘膦副產(chǎn)鹽取自江蘇某農(nóng)藥生產(chǎn)公司。

        1.2 實驗方法

        將草甘膦副產(chǎn)鹽按照一定的比例溶解到純水中,配制成一定濃度的鹽水進行膜分離和氧化處理。由于此鹽水中有機物的濃度仍然較高,采用高級氧化技術(shù)處理需要消耗大量的氧化劑,且由于是氯化鈉高鹽體系,高濃度的氯離子對羥基自由基的湮滅作用導(dǎo)致氧化效果并不理想。所以考慮采用膜分離耦合氧化技術(shù)降解草甘膦副產(chǎn)鹽中有機物,由于高鹽環(huán)境下測COD誤差較大,因此以總有機碳(TOC)含量表征溶液中有機物的濃度。工藝流程如圖1所示。

        圖1 工藝流程簡圖

        工藝流程說明:將從江蘇某農(nóng)藥生產(chǎn)公司取得的草甘膦副產(chǎn)鹽按照一定的比例配制成一定濃度的鹽溶液,用納濾膜處理進行有機物與鹽分離,膜淡液進入氧化系統(tǒng)進行后處理,氧化完成后,進行過濾即可得到高濃度的一次精制鹽水。一次精制鹽水可用于氯堿行業(yè)生產(chǎn)燒堿、氯氣以及氫氣等產(chǎn)品,具有較高的社會、經(jīng)濟效益。

        取適量草甘膦副產(chǎn)鹽,按照一定的比例溶解在純水中,配制成一定濃度的NaCl溶液,檢測NaCl溶液中的各組分見表1。

        表1 草甘膦副產(chǎn)鹽配制鹽水分析指標

        從表1可得:草甘膦副產(chǎn)鹽配制的鹽水有機物的含量較高,必須去除鹽水中的有機物,使得TOC含量低于10 mg/L,才能滿足氯堿行業(yè)一次精制鹽水的要求。

        1.2.1 膜分離技術(shù)處理鹽水

        取適量草甘膦副產(chǎn)鹽配制的鹽水,用NF-4040-HR納濾膜濃縮分離處理,試驗過程中,控制膜設(shè)備運行參數(shù)如壓力和溫度一定,濃縮分離鹽水中有機物,當回收率達到足夠高的時候,停止運行,得到膜濃液和膜淡液。由于部分小分子量有機物會透過納濾膜進入膜淡液中,再采用氧化技術(shù)去除膜淡液中的小分子有機物。

        1.2.2 過硫酸鉀氧化去除有機物

        氧化劑過硫酸鉀(以下簡寫為KPS)在加熱或者微波輻照的情況下,過硫酸根離子(S2O82-)被激活產(chǎn)生具有強氧化性的硫酸根自由基(·SO4-),硫酸根自由基的氧化還原電位是2.6 eV[8]。

        本實驗中,采用KPS氧化去除透過納濾膜的分子量較小的有機物,達到去除有機物的目的。實驗分別考察了初始pH值、反應(yīng)溫度、KPS/TOC的物質(zhì)的量比、反應(yīng)時間對膜淡液TOC去除率的影響。

        1.2.3 次氯酸鈉氧化去除有機物

        次氯酸鈉是一種氧化性較強的氧化劑,一般認為HClO和產(chǎn)生的新生態(tài)氧[O]是其強氧化性的來源,新生態(tài)氧[O]的氧化電勢可達2.42 eV,具有很強的氧化性[8-10]。

        本試驗中,采用NaClO氧化技術(shù)去除透過納濾膜的小分子量的有機物。實驗分別考察了初始pH值、溫度、NaClO與TOC的物質(zhì)的量比、反應(yīng)時間對膜淡液TOC去除率的影響。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 納濾膜技術(shù)分離去除有機物

        在溫度25℃左右時,用納濾膜設(shè)備濃縮分離處理草甘膦副產(chǎn)鹽配制的鹽水,控制納濾濃縮的運行壓力為25 kg左右,回收率達到85%時,停止運行,得到膜淡液并測其指標見表2。

        表2 納濾膜淡液分析指標

        從表2可以看出:NF-4040-HR型號納濾膜對草甘膦副產(chǎn)鹽溶液中的TOC具有很高的截留率,為88.07%。由于納濾膜無法截留鹽水中的較小分子量的有機物,導(dǎo)致膜淡液的TOC升高。

        2.2 KPS氧化初始pH對有機物的去除效果

        每組取200 mL鹽水,KPS與TOC的物質(zhì)的量比控制為1.0,反應(yīng)溫度控制在90℃,反應(yīng)前配置1 mol/L的鹽酸溶液和1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)鹽水的pH值,控制各組待反應(yīng)料液的pH值分別為1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0、13.0,在磁力攪拌器恒溫攪拌反應(yīng)4 h。待反應(yīng)結(jié)束后,靜置沉淀適當時間,清液采用濾紙過濾,取過濾清液檢測TOC,結(jié)果如圖2。

        圖2 KPS氧化初始pH值對有機物的去除效果

        從圖2可知:在強酸性條件下,TOC的去除率較在堿性和中性低,這可能是因為在強酸環(huán)境下,產(chǎn)生的·SO4-在極短的時間內(nèi)相互碰撞,并發(fā)生湮滅反應(yīng),硫酸根自由基無法接觸到有機物就湮滅,從而導(dǎo)致TOC的去除率降低。在強堿性環(huán)境中,由于·SO4-與OH-反應(yīng)生成·OH,·OH具有較強的氧化性,但由于·OH的半衰期較短,還沒有接觸有機物就湮滅掉,TOC的去除率降低。因此,最佳pH值應(yīng)該在3附近[11-14]。

        2.3 KPS氧化溫度對有機物的去除效果

        每組取200 mL料液,KPS與TOC的物質(zhì)的量比控制為1.0,反應(yīng)前先用1 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)料液pH值為3.0,反應(yīng)溫度分別控制在75、80、85、90、95℃,在磁力攪拌器中加熱恒溫攪拌反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束后,將料液靜置沉淀適當時間,用濾紙過濾后,取過濾清液檢測TOC含量,結(jié)果如圖3所示。

        圖3 KPS氧化溫度對有機物的去除效果

        從圖3可知,反應(yīng)溫度的升高,TOC的去除率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。根據(jù)Arrhenius阿倫尼烏斯方程k=k0exp(-Ea/RT),反應(yīng)速率系數(shù)與溫度有關(guān),溫度升高,反應(yīng)速率系數(shù)增大,反應(yīng)速度加快,單位時間產(chǎn)生的·SO4-的量更大,表現(xiàn)為TOC的去除率更高。在高于85℃環(huán)境中,TOC去除率降低,這是因為溫度過高,KPS熱激活產(chǎn)生·SO4-的同時也產(chǎn)生大量的H+,導(dǎo)致溶液的pH急速降低,在pH較低的環(huán)境中,·SO4-和·OH以及H+和·OH均發(fā)生湮滅反應(yīng),從而導(dǎo)致氧化效果降低[14]。

        2.4 KPS的投加量對有機物的去除效果

        每組取200 mL料液,反應(yīng)前先用1 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)料液pH值為3.0,反應(yīng)溫度分別控制在85℃,KPS與TOC的物質(zhì)的量比控制為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0,在磁力攪拌器中加熱恒溫攪拌反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束之后,適當靜置沉淀一段時間,用濾紙過濾,取過濾清液檢測TOC含量,結(jié)果如圖4所示。

        圖4 KPS的投加量對有機物的去除效果

        從圖4可知:KPS/TOC物質(zhì)的量比的增加,TOC的去除率先增大后降低,當KPS/TOC物質(zhì)的量比為1時,TOC去除率達到峰值。這是因為隨著氧化劑KPS投加量的增加,產(chǎn)生的·SO4-也隨之增加,TOC去除的量也隨之增加。過量的投加KPS,KPS受熱激活產(chǎn)生自由基的同時也產(chǎn)生過多的H+,導(dǎo)致溶液的pH較低,·SO4-會與·SO4-自由基以及過硫酸根發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致溶液中·SO4-含量降低,TOC的去除率也降低[15-16]。

        ·SO4-+ ·SO4-→ S2O82-

        ·SO4-+ S2O82-→ SO42-+ ·S2O8-

        2.5 KPS氧化時間對有機物的去除效果

        每組取200 mL料液,反應(yīng)前先用1 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)料液pH值為3.0,反應(yīng)溫度分別控制在85℃,KPS與TOC的物質(zhì)的量比控制為1.0,在恒溫磁力加熱攪拌器中攪拌反應(yīng),控制反應(yīng)時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h。結(jié)束反應(yīng)后,靜置沉淀適當時間,上清液用濾紙過濾,取過濾清液檢測TOC含量,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 KPS氧化時間對有機物的去除效果

        從圖5可知:TOC的去除率隨著反應(yīng)時間的延長呈現(xiàn)先增加后基本不變。當反應(yīng)時間大于2.5 h,TOC去除率保持平穩(wěn),不再增加。這是因為KPS受熱激活產(chǎn)生·SO4-,反應(yīng)一段時間后,KPS被完全消耗。

        2.6 NaClO氧化初始pH值對有機物的去除效果

        每組取200 mL料液,NaClO與TOC的物質(zhì)的量比控制為1.5,反應(yīng)溫度控制在20℃,反應(yīng)前先用1 mol/L的鹽酸溶液和1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)料液pH值,控制待反應(yīng)料液的pH值分別為1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0、13.0,在磁力攪拌器中恒溫加熱攪拌4 h。反應(yīng)結(jié)束后,靜置沉淀適當時間,采用濾紙過濾,取過濾清液檢測TOC含量,結(jié)果如圖6所示。

        圖6 NaClO氧化初始pH值對有機物的去除效果

        從圖6可知:pH增加,TOC的去除率也隨之增加。這可能是因為NaClO在酸性、堿性條件下均有較好的氧化性。而在酸性條件下,會與H+反應(yīng)生成氯氣跑出。在堿性條件下,NaClO能持續(xù)的緩慢的釋放新生態(tài)氧[O]和ClO-,新生態(tài)氧具有較強的氧化性[17-18],具有強氧化性的時間較長。由圖可知,NaClO在pH值=11時,TOC去除率最大。

        2.7 NaClO氧化溫度對有機物的去除效果

        每組取200 mL料液,NaClO與TOC的物質(zhì)的量比控制為1.5,反應(yīng)前先用1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)料液pH值為11.0,反應(yīng)溫度分別控制在15、20、25、30、35、40℃,在磁力攪拌器中恒溫加熱攪拌反應(yīng)4 h。反應(yīng)完成后,適當靜置沉淀一段時間,上清液采用濾紙過濾,取過濾清液檢測TOC含量,結(jié)果如圖7所示。

        圖7 NaClO氧化溫度對有機物的去除效果

        從圖7可知:當反應(yīng)溫度為15~25℃時,溫度對有機物的去除率影響不大。反應(yīng)溫度超過25℃時,TOC的去除率迅速降低。這是因為在高溫環(huán)境中,NaClO分解為NaCl和O2,引起具有強氧化性的新生態(tài)氧[O]和ClO-產(chǎn)生量減少,導(dǎo)致TOC的去除率降低[19]。

        3NaClO → NaClO3+2NaCl 2NaClO3→ 2NaCl + 3O2

        2.8 NaClO的投加量對有機物的去除效果

        每組取200 mL料液,反應(yīng)前先用1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)料液pH值為11.0,反應(yīng)溫度控制在20℃,NaClO與TOC的物質(zhì)的量比控制為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0,在磁力攪拌器中恒溫攪拌反應(yīng)4 h。待反應(yīng)完全后,靜置沉淀適當時間,采用濾紙過濾后,取過濾清液檢測TOC含量,結(jié)果如圖8所示。

        圖8 NaClO的投加量對有機物的去除效果

        從圖8可知:NaClO/TOC的物質(zhì)的量比增大,料液中TOC的去除率也增大。這可能是因為NaClO投加量增大,一定反應(yīng)時間內(nèi),溶液中產(chǎn)生的ClO-含量也隨之增加,TOC的去除率升高,NaClO/TOC物質(zhì)的量比為2.5時,TOC去除率最大。

        2.9 NaClO氧化時間對有機物的去除效果

        每組取200 mL料液,反應(yīng)前先用1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)料液pH值為11.0,反應(yīng)溫度控制在20℃,NaClO與TOC的物質(zhì)的量比控制為2.5,在恒溫磁力加熱攪拌器中攪拌,分別控制每組料液的反應(yīng)時間為2、3、4、5、6、7 h。待反應(yīng)結(jié)束后,靜置沉淀,用濾紙過濾后,取清液檢測TOC含量,結(jié)果如圖9所示。

        圖9 NaClO氧化時間對有機物的去除效果

        從圖9可知:增加反應(yīng)時間,TOC的去除率也隨之升高。當反應(yīng)時間為5 h時,TOC的去除率最高,繼續(xù)增加反應(yīng)時間,TOC去除率不再有所提高。這是因為反應(yīng)5 h后,投加的氧化劑已反應(yīng)完全,料液中已沒有氧化劑起降解有機物的作用[17]。

        3 結(jié)論

        草甘膦副產(chǎn)鹽按照一定的比例溶于純水,配置成一定濃度的草甘膦副產(chǎn)鹽溶液。經(jīng)過NF-4040-HR納濾膜濃縮分離處理后,鹽溶液中的大部分有機物得到有效去除,TOC截留率較高,為87.69%。

        上述試驗表明,納濾膜淡液經(jīng)過NaClO氧化后,產(chǎn)水TOC更低,最終產(chǎn)水TOC小于10 mg/L。滿足氯堿行業(yè)一次精制鹽水的要求。

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