【文章內(nèi)容簡介】 以被徹底礦化為二氧化碳和無機(jī)離子,是一種環(huán)境友好的水處理技術(shù),具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。超聲降解技術(shù)要實現(xiàn)工業(yè)化,需要解決的主要問題是:提高聲能的利用效率。提高聲解的速率和程度。避免有毒中間體或產(chǎn)物的產(chǎn)生,而這些效果的獲得在很大程度上是與超聲波反應(yīng)器的合理設(shè)計有關(guān)的。另外將超聲降解與其他降解技術(shù)耦合,也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α！　　　　?立題的意義及主要研究內(nèi)容用超聲波降解水中的化學(xué)污染物,尤其是難降解的有機(jī)污染物,是一項新型水處理技術(shù)。由于在理論和技術(shù)上還存在許多問題,如pH值，時間，功率W ，超聲波頻率，曝氣充氧與否，初始濃度，催化劑因素等因素影響超聲對染料廢水降解率,本課題的目的就是研究這些因素對超聲波降解染料廢水到底有何影響，近而確定最佳工藝條件，使降解率最大。本課題將通過應(yīng)用正交試驗法對反應(yīng)體系pH 值、反應(yīng)時間、輸出功率W 、處理廢水的初始濃度四種影響因素研究。在我國，隨著染料合成、印染等工業(yè)廢水的不斷排放和各種染料的不斷使用,造成環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。因此優(yōu)化工藝條件，提高超聲波降解染料廢水的效率，對我國的環(huán)境保護(hù)事業(yè)意義深遠(yuǎn)。2 實驗材料、儀器設(shè)備及實驗方法 主要試驗試劑和儀器藥品出廠廠家表[實驗藥品采用分析純級試劑]藥品 廠家 羅丹明 天津市雙船化學(xué)試劑廠 高錳酸鉀 天津市博迪化工有限公司 亞硫酸氫鈉 天津市雙船化學(xué)試劑廠 氫氧化鈉 天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心 過氧化氫 沈陽市東陵精細(xì)化學(xué)公司 鹽酸 哈爾濱市新達(dá)化工廠 濃硫酸 天津市雙船化學(xué)試劑廠 硫酸亞鐵 哈爾濱市新達(dá)化工廠 硫酸銀 哈爾濱市新春化學(xué)試劑廠 重鉻酸鉀 天津市雙船化學(xué)試劑廠 硫酸亞鐵銨 哈爾濱市新達(dá)化工廠 試亞鐵靈 實驗室提供儀器一覽表儀器及型號 廠家電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司天平儀器廠 DK8D 型酸度計 上海精密科學(xué)儀器有限公司雙頻數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司PHS3C 型紫外分光光度計 上海光譜儀器有限公司電爐 實驗室提供 實驗方法 羅丹明染料廢水配制 用電子天平準(zhǔn)確稱取 1g 羅丹明固體，溶于 500mL 的燒杯中，再倒入 1000mL 的容量瓶中，加蒸餾水至刻度線，均勻溶解后待用。 重鉻酸鉀法測 COD 重鉻酸鉀溶液的配制：，先溶于500mL的燒杯中，然后置于1000mL的容量瓶中，標(biāo)定后待用。 硫酸硫酸銀溶液的配制：用電子天平準(zhǔn)確稱取5g硫酸銀固體，溶于事先倒入少量濃硫酸的500mL的燒杯中，然后置于500mL的容量瓶中，再加濃硫酸至刻度線，放置一天后待用。 硫酸亞鐵銨溶液的配制： 硫酸亞鐵銨固體,溶于500mL的燒杯中,加20濃硫酸于燒杯中，然后倒入1000mL的容量瓶，加蒸餾水至刻度線，待用。 取20mL待測水樣于250mL磨口錐形瓶中，加幾粒沸石，再加10mL重鉻酸鉀溶液和30mL硫酸硫酸銀溶液，加熱回流2小時，加90mL蒸餾水，冷卻后滴加三滴試亞鐵靈指示劑，最后用硫酸亞鐵銨溶液滴定。 水合二氧化錳的制備 ?4?實驗中水合二氧化錳生成的四種方法如下：方法一：用硫酸錳、次氯酸鈉及氫氧化鈉反應(yīng)制備二氧化錳，反應(yīng)方程式如下：MnSO4+NaClO+2NaOH=MnO2+H2O+NaCl+Na2SO4方法二：用高錳酸鉀和亞硫酸氫鈉反應(yīng)制備二氧化錳，反應(yīng)方程式如下：2KMnSO4+3NaHSO3=2MnO2+NaHSO4+Na2SO4+K2SO4+H2O方法三：用高錳酸鉀和過氧化氫反應(yīng)制備二氧化錳，反應(yīng)方程式如下： 2KMnSO4+3H2O2=2MnO2+3O2+2KOH+2H2O方法四：3S 2O32 +8MnO14 +H2O =8MnO2↓+ 6SO 42 + 2OH1（注：本實驗主要用第四種方法。）3 結(jié)果與討論 超聲波單獨作用試驗 處理廢水的初始濃度對 COD 去除率的影響 實驗條件:`39。 ,擬廢水,pH值調(diào)節(jié)到3左右,在超聲頻率45KHz,超聲功率為100%，超聲時間50min的條件下，測定出水的化學(xué)需氧量,并計算其COD去除率. 實驗結(jié)果見圖31.圖 31初 始 濃 度 對 COD去 除 率 的 影 響05101520253035COD去除率%初 始 濃 度 從圖31 可看出,進(jìn)水濃度越大,其去除率明顯下滑,超聲波的作用在濃度高的有機(jī)廢水中很難體現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)降解速度(或速率常數(shù))隨溶液初始濃度的升高而下降,廢水中有機(jī)物濃度越高,廢水在物理化學(xué)性質(zhì)上偏離純水就越大,例如比重、粘度和蒸汽壓及表面張力等都發(fā)生了顯著的變化,從而導(dǎo)致超聲波在水中的空化效應(yīng)大為減弱. 因此,在超聲波降解羅丹明廢水實驗中,初始濃度較低即初始負(fù)荷較低與高濃度負(fù)荷相比,處理效果要好。 反應(yīng)體系 pH 值對 COD 去除率的影響 ,COD為324mg/L,調(diào)節(jié)不同的pH值,反應(yīng)溫度控制在20℃～30℃,在超聲頻率45KHz,超聲功率為100%，超聲時間50min的條件下，測定出水的化學(xué)需氧量,并計算其COD去除率。實驗結(jié)果見圖32圖 32pH 值 對 COD去 除 率 的 影 響0510152025303540 pHCOD去除率%pH 由圖32 可知,羅丹明廢水處理結(jié)果隨著pH值增大而呈現(xiàn)出下降趨勢,然而在pH,有所上升,但不如在酸性條件下。每次超聲處理完后測其pH值,都有不同程度的增大,經(jīng)比較,在酸性條件下其pH值增大的幅度較大, 時的COD去除率最大。 超聲強(qiáng)度對 COD 去除率的影響 實驗條件為,采用不同的輸出功率40%,60%,80%,100%.,COD為324 mg/L,反應(yīng)溫度控制在20℃～30℃,在超聲頻率45KHz,超聲時間50min的條件下，測定出水的化學(xué)需氧量,并計算其COD去除率。實驗結(jié)果見圖33圖 33聲 強(qiáng) 度 對 COD去 除 率 的 影 響051015202530354040% 60% 80% 100%輸 出 功 率COD去除率%輸 出 功 率 由圖33可知,隨著超聲功率的增大，羅丹明廢水COD的去除率就越大，總體來看,在超聲波降解羅丹明廢水過程中,用高功率更有利于有機(jī)物的降解,但能耗增大。 反應(yīng)時間對 COD 去除率的影響 ,反應(yīng)溫度控制在20℃～30℃,在超聲頻率45KHz,超聲功率為100%，超聲時間50min的條件下,測定不同反應(yīng)時間出水的水質(zhì)指標(biāo),考察反應(yīng)時間對COD去除率的影響。實驗結(jié)果見圖34圖 34反 應(yīng) 時 間 對 COD去 除 率 的 影 響051015202530354010 20 30 40 50 60 80反 應(yīng) 時 間COD去除率%反 應(yīng) 時 間 由圖34可知,羅丹明廢水在超聲波輻射初期,COD去除率逐步上升,一直到50min達(dá)到最高點,隨后大幅度下降,羅丹明發(fā)生降解,而且與COD的測定方式有關(guān)。在超聲波作用下,一部分染料發(fā)生降解,使COD去除率上升,而降解中間產(chǎn)物不斷積累。這部分中間產(chǎn)物大部分成為可以被重鉻酸鉀氧化的有機(jī)物使染料分子中原來隱性的COD可以被檢測出來,而這種現(xiàn)象可能會有利于以后的生物處理,但卻導(dǎo)致出水COD值增加,COD去除率大幅下降。這種,超聲波輻照羅丹明染料廢水的最佳反應(yīng)時間應(yīng)為50min。 設(shè)計正交實驗，確定超聲降解羅丹明染料廢水的最佳工藝參數(shù) 根據(jù)單因素實驗確定影響超聲降解羅丹明染料廢水的主要因素為初始濃度、pH、超聲強(qiáng)度以及反應(yīng)時間。為此進(jìn)行四因素三水平L 9(34)正交實驗，探討超聲降解羅丹明染料廢水的影響。正交分析實驗的因素和水平如表31 所示：表 31 水平因素表因素水平A濃度 g/LBpHC超聲強(qiáng)度%D時間 min1234070100405060表 32 正交試驗設(shè)計與結(jié)果試驗編號 A B C D 降解率%123456789K1K2K3極差R優(yōu)水平27225A1217B2407010070100401004070172811C340506060405050604022D2173628203015261921 利用L 9(34)正交實驗優(yōu)化探討超聲降解羅丹明染料廢水的影響，結(jié)果見表32?？梢钥闯鲇绊懗暯到饬_丹明染料廢水的主次因素次序為超聲強(qiáng)度＞pH＞初始濃度＞反應(yīng)時間最佳工藝組合為A 1B2C3D4。、pH=、超聲功率為100%、反應(yīng)時間50min。按照正交實驗確定的最佳超聲條件，進(jìn)行超聲降解羅丹明染料廢水實驗，廢水COD去除率達(dá)36%。 超聲波和 MnO2協(xié)同作用實驗 處理廢水的初始濃度對降解效果的影響 實驗條件:以濃度分別為 `39。 , 為模擬廢水，pH 值調(diào)節(jié)到 3 左右,在超聲頻率 45KHz,超聲功率為 100%，超聲時間40min 的條件下 MnO2由 水的化學(xué)需氧量,并計算其 COD 去除率。實驗結(jié)果見圖 35。測定出處理后水的吸光度，并計算脫色率。實驗結(jié)果見圖 36。圖 35初 始 濃 度 對 COD去 除 率 的 影 響0102030405060708090100 初 始 濃 度COD去除率%初 始 濃 度由圖35可知，超聲波和MnO2協(xié)同作用處理羅丹明廢水時，廢水的初始濃度越大，廢水的COD去除率就越小,因此,在聲波和MnO2協(xié)同作用處理羅丹明廢水時實驗中,初始濃度較低即初始負(fù)荷較低與高濃度負(fù)荷相比,處理效果要好。這同上面超聲波單獨處理羅丹明廢水時的影響相同。圖 36初 始 濃 度 對 脫 色 率 的 影 響020406080100 初 始 濃 度脫色率% 初 始 濃 度 由圖36可知,超聲波和MnO 2協(xié)同作用處理羅丹明廢水時，廢水的初始濃度越大，廢水的脫色率逐漸減小,在初始濃度較小時,脫色率可接近99%。主要原因是:水合MnO2通過界面吸附機(jī)理對染料廢水進(jìn)行處理的,取得了很好的效果。 反應(yīng)體系 pH 值對降解效果的影響 實驗條件:,COD為162mg/L,調(diào)節(jié)不同的pH 值,反應(yīng)溫度控制在20℃～30℃,在超聲頻率45KHz,超聲功率為100%，超聲時間40min的條件下，測定出水的化學(xué)需氧量,并計算其COD去除率. ，并計算脫色率。實驗結(jié)果見圖38。圖 37pH值 對 COD去 除 率 的 影 響0102030405060708090 8pH值COD去除率%pH 由圖37可知,超聲波和MnO2協(xié)同作用處理羅丹明廢水時，羅丹明廢水處理的COD去除率結(jié)果隨著pH值增大而呈現(xiàn)出下降趨勢,經(jīng)比較,在酸性條件下其COD去除率增大的幅度較大,。圖 38pH對 脫 色 率 的 影 響7580859095100 8pH脫色率%pH 由圖38可知,超聲波和MnO2協(xié)同作用處理羅丹明廢水時,羅丹明廢水的脫色率隨著pH值的逐漸增大而有降低的趨勢，在酸性條件下其脫色率最大，而且在pH值為%。 超聲強(qiáng)度對降解效果的影響實驗條件:,COD為162mg/L,調(diào)節(jié)不同的超聲功率，反應(yīng)溫度控制在20℃～30℃,在超聲頻率45KHz,超聲時間40min的條件下，測定出水的化學(xué)需氧量,并計算其COD去除率.。，并計算脫色率。實驗結(jié)果見圖310.圖 39超 聲 強(qiáng) 度 對 COD降 解 率 影 響02040608010020 40 60 80 100超 聲 功 率降解率% 超 聲 強(qiáng) 度 由圖39可知,超聲波和MnO2協(xié)同作用處理羅丹明廢水時，羅丹明廢水處理的COD去除率結(jié)果隨著超聲功率的增大而呈現(xiàn)出上升的趨勢，在功率100%時，羅丹明廢水處理的COD去除率達(dá)到最大值。圖 310超 聲 強(qiáng) 度 對 脫 色 率 的 影 響82848688909294969820 40 60 80 100超 聲 功 率脫色率% 超 聲 強(qiáng) 度 由圖310可知,超聲波和MnO2協(xié)同作用處理羅丹明廢水時,羅丹明廢水的脫色率隨著超聲強(qiáng)度增大而增大，在功率100%時，羅丹明廢水的脫色率也能接近99%。 設(shè)計正交實驗，確定超聲波和 MnO2協(xié)同作用處理羅丹明廢水的最佳工藝參數(shù)根據(jù)單因素實驗確定影響超聲/M