纳米二氧化钛光催化氧化降解苯酚废水实验

焦 伟 刘译阳

(中国石油集团安全环保技术研究院有限公司)

0 引 言

高浓度、难降解的有机废水即点源废水是炼化污水升级达标的难点。综合分析，点源废水主要有20多种，典型的有苯酚废水、碱渣废水、橡胶废水、含腈废水、反渗透浓水等[1]。此外，污水回用产生的反渗透浓盐水和炼油化工污水处理装置外排污水中有机物含量虽然偏低，但绝大多数为难生化降解有机物，其去除难度大。点源废水组成复杂、难降解组分比例高，具有一定毒性，易对污水处理场造成冲击[2]。

纳米二氧化钛(TiO2)光催化氧化已被证明是一种氧化能力强，选择性小，处理效率高，不带来二次污染的水处理方法，且TiO2催化剂具有化学稳定性好，无毒等特性，是一种非常有前景的水处理技术。研究人员利用TiO2光催化氧化技术对一些难降解污染物质，如表面活性剂、石油炼化污水、硝基芳烃、卤代芳烃、杂环化合物、多环芳烃、染料废水、造纸废水、农药废水等进行处理，取得显著效果。TiO2光催化氧化技术在加拿大、美国、澳大利亚等国家已成功应用[3]。

纳米TiO2光催化氧化原理是催化剂TiO2受光照射，吸收光能，发生电子跃迁，生成电子-空穴对，从而对污染物直接进行氧化还原。催化剂TiO2无毒无害，成本低，且稳定性高，可回收利用。

本文以实验室模拟苯酚废水为研究对象，开展TiO2光催化氧化实验。

1 实验装置构建

搭建纳米TiO2光催化氧化小试实验装置，处理规模为间歇性10 L/h。装置包括原水储罐、光催化反应器、参数测量及控制系统、催化剂回收系统，工艺流程见图1。

图1 TiO2光催化氧化装置实验工艺流程

2 实验水样

实验水样为实验室模拟苯酚废水。

3 实验内容与方案

搭建纳米TiO2光催化氧化装置，用实验室模拟苯酚废水开展纳米TiO2光催化氧化技术研究，考察反应过程中曝气量、pH值、初始浓度、TiO2投加量等工艺参数对COD、TOC去除率的影响，从而考察苯酚废水的降解过程[4-5]。

4 结果与讨论

1)曝气量

配制浓度为150 mg/L的模拟苯酚废水，选用P25 锐钛矿型TiO2，粒径20～30 nm[6]，投加量为1.5 g/L。溶液初始pH值为7，考察曝气量对COD去除率的影响，结果见图2。

图2 曝气量对COD去除率的影响

由图2可知，光照时间为3 h时，在未曝气的条件下，COD去除率只有20%左右，曝气量为0.5 L/min时，COD去除率增大到92.3%，表明随着曝气量的增大，COD去除率逐渐增大；但当曝气量为1 L/min时，COD去除率为71%，曝气量为3 L/min时，COD去除率明显下降，为60.2%。因此，初始浓度为150 mg/L，pH值为7的苯酚废水，在曝气量为0～3 L/min的条件下，COD去除率先增大后减小[7]。

2)初始pH值

在苯酚废水初始浓度为150 mg/L，光照时间为1 h的条件下，调节废水pH值，考察其对COD去除率的影响，结果见图3。

图3 pH值对COD去除率的影响

由图3可知，在光照时间为1 h的条件下，当pH值为3时，COD去除率为90.3%，当pH值为5时，COD去除率为88.2%，当pH值为7时，COD去除率为71.3%，当pH值为9，COD去除率为67.05%。随着pH值的升高，COD去除率逐渐降低，而当pH值为11时，COD去除率又开始增大，总之，酸性条件比碱性条件下COD去除率高。

3)TiO2投加量

在苯酚废水初始浓度为150 mg/L的条件下，改变TiO2投加量，考察其对COD去除率的影响，结果见图4。

由图4可知，光照时间为0～1.5 h时，随着TiO2投加量的增大[8-9]，COD去除率增大，当光照时间为1.5～3 h，TiO2投加量为10 g/L时，COD去除率反而降低，因此，TiO2最佳投加量为3 g/L。

4)初始浓度

在曝气量为0.5 L/min，pH值为7的条件下，TiO2投加量[10-11]为3 g/L，考察废水初始浓度对COD去除率的影响，结果见图5。

图5 废水初始浓度对COD去除率的影响

由图5可知，在光照时间为0～1.5 h的条件下，随着苯酚废水初始浓度的增加，COD去除率逐渐降低。

5)温度

在曝气量为0.5 L/min，pH值为7，光照时间为1.5 h的条件下，TiO2投加量为3 g/L，考察反应温度对COD、TOC去除率的影响，结果见图6。

图6 反应温度对COD、TOC去除率的影响

由图6可知，温度为20～40℃时，随着反应温度的升高，COD去除率和TOC去除率几乎不变，不受温度影响。

5 结 论

根据国内外光催化技术现状，结合苯酚废水特点，通过改变反应参数对苯酚废水进行研究性实验，主要结论如下。

1)初始浓度为150 mg/L，pH值为7的苯酚废水，反应3 h，曝气量为0～3 L/min的条件下，随着曝气量的增大，COD去除率先增大后减小。

2)调节苯酚废水pH值在3～11，随着pH值的升高，COD去除率逐渐降低，而当pH值为11时，COD去除率又开始增大，总之，酸性条件比碱性条件下COD去除率高。

3)在光催化反应过程中，随着TiO2投加量的增大，COD去除率增大，当TiO2投加量为10 g/L时，COD去除率反而降低。

4)苯酚废水初始浓度在75～300 mg/L时，随着浓度的增大，COD去除率逐渐降低。

5)反应温度的改变对COD和TOC的去除率没有影响。