微电解耦合低温等离子体净化对苯二甲酸废水研究

荣俊锋，刘瑾琳，程波，张晔，李伏虎

(安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南 232001)

精对苯二甲酸(PTA)广泛用于聚酯工业生产中。在PTA生产过程中会产生大量废水，废水中含有大量有机污染物和重金属。目前PTA废水处理技术分为：物化处理技术、生化处理技术、物化-生化联合处理技术。但这些传统技术，设备占地面积大，处理时间长，运行成本高[1-3]。微电解-低温等离子体废水处理技术是一种简洁高效方法，操作简单，运行成本低的新兴水处理技术，能有效地降解PTA废水中有机污染物，减少二次污染，对可循环物质二次再利用[4-5]。本研究采用微电解耦合低温等离子体净化PTA废水，以期为PTA废水的净化提供新的思路和理论依据[6-13]。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对苯二甲酸、还原铁粉、活性炭、硫酸银、浓硫酸、重铬酸钾、硫酸亚铁铵、硫酸亚铁、邻菲罗啉、氢氧化钠、盐酸、邻苯二甲酸氢钾均为分析纯。

等离子体反应器，自制，反应器壳体为有机玻璃材质，容积300 mL；TDGC2接触调压器；DD862集成式(功率、电压、电流)数显仪表；P096652C功率放大器；DF-II数显集热式磁力搅拌器；P6015A高压探头；HCA-100标准COD消解器；CXPB-20超纯水机；KQ-C玻璃仪器气流烘干器；PTF-A电子天平。

1.2 实验方法

以对苯二甲酸浓度为1 g/L的PTA废水作为研究对象，其pH值为5，COD浓度为1 518 mg/L，浊度为3.66 NTU。采用微电解-低温等离子体法来处理废水，图1是实验装置图。

反应器顶部开三个孔，中心孔插入阳极铜针(直径1.5 mm)，左侧孔连接回流冷凝管，右侧孔为压缩空气通入孔,铝板网作为阴极，固定于反应器底部外壁。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental installation1.交流电源；2.接触调压器；3.功率放大器;4.冷凝器；5.压缩空气；6.等离子体反应器;7.磁力搅拌器；8.铁架台

微电解采用精密定时电动搅拌器，让PTA废水中的微电解填料充分均匀地进行反应，利用铁屑和活性炭组成原电池，在微电解的作用下，二价铁离子和氢离子与废水中的多种组分发生还原反应，降解废水。低温等离子体采用交流电，通过接触调压器输出0～250 V的电压，再通过功率放大器产生高压电。再连接低温等离子体水处理反应器的正极铁针电极和负极铝板网。

1.2.1 微电解工艺 取100 mL的PTA废水，加入比例2∶1的铁粉和处理后的活性炭(将活性炭充分煮沸，浸泡30 min。用去离子水清洗干净，加入盐酸，充分浸泡30 min。用去离子水清洗干净，烘干，用精密定时电动搅拌器充分搅拌，对PTA废水进行微电解20 min。停止搅拌，静置12 h，取上清液。

1.2.2 低温等离子体工艺(LTP) 取50 mL微电解处理的废水，加入低温等离子体水处理反应器中，放入转子，接好水处理反应器的正负极；打开回流冷凝管的水源，在室温条件下接通电源，打开磁力恒温搅拌器，用接触调压器进行调压，开始对废水进行放电处理，对废水进行降解。取样，采用重铬酸钾法(HJ 828—2017)测定溶液COD值，计算COD降解率[10-11]。

式中，COD0为废水初始COD值，COD为处理后废水COD值。

2 结果与讨论

2.1 处理技术对PTA废水处理效果的影响

固定放电电压36 kV，放电间距为5 mm，铁碳比为2∶1的实验条件下，对3个水样(1# COD为1 518 mg/L；2# COD为1 527 mg/L ；3# COD为1 540 mg/L)、pH为5的PTA废水原液进行降解，分别采用①微电解1 h；②低温等离子体放电1 h；③先微电解1 h后低温等离子体放电1 h；④先低温等离子体放电1 h后微电解1 h处理PTA废水，4种处理技术对PTA废水COD降解率的影响，见表1。

表1 处理技术对PTA废水COD降解率的影响Table 1 Influence of treatment technologies on COD degradation rate of PTA wastewater

由表1可知，先微电解1 h后低温等离子体放电1 h的COD降解率最高。

2.2 铁碳比对PTA废水处理效果的影响

固定放电电压36 kV，放电间距为5 mm，先微电解1 h后低温等离子体放电1 h的实验条件下，对初始COD为1 518 mg/L，pH值为5，初始浊度为3.66 NTU的PTA废水原液进行降解，铁碳比对PTA废水COD降解率的影响，见图2。

图2 铁碳比对PTA废水COD降解率影响Fig.2 Influence of Fe-C ratio on COD degradation rate of PTA wastewater

由图2可知，随铁碳比增加PTA废水COD降解率先升后降，再趋于平衡，铁碳比2∶1时COD降解率最高。原因是随着铁粉量增加，铁粉与废水的有效接触增多，使有机物降解率增大，但铁碳比过大时，COD降解率反而并不是最好，最佳铁碳比是2∶1。

2.3 放电时间对PTA废水处理效果的影响

固定放电电压36 kV，在放电间距5 mm，铁碳比2∶1条件下，对初始COD为1 518 mg/L，pH值为5的PTA废水原液进行降解，先微电解1 h，再采用LTP对PTA废水放电处理，放电时间对PTA废水COD降解率的影响，见图3。

由图3可知，在LTP放电时间为1 h时，COD降解率最高。因为随着放电时间延长，体系能量不断增加，PTA废水中有机物被降解，同时生成其他有机物，导致COD降解率处于不稳定的状态。在放电电压36 kV，铁碳比为2∶1，废水pH=5条件下，LTP放电1 h处理效果最好。

图3 放电时间对PTA废水COD降解率影响Fig.3 Influence of discharge time on COD degradation rate of PTA wastewater

2.4 放电电压对PTA废水处理效果的影响

在放电间距为5 mm，铁碳比为2∶1，先微电解1 h 后低温等离子体放电1 h的实验条件下，对初始COD为1 518 mg/L,pH值为5的PTA废水进行降解，放电电压对PTA废水COD降解率的影响，见图4。

图4 放电电压对PTA废水COD降解率影响Fig.4 Influence of discharge voltage on COD degradation rate of PTA wastewater

由图4可知，随着放电电压的增加，COD降解率呈先升后降趋势。在28 kV时，COD降解率最高。原因是当电压过高时，大部分电能转变为热能，放电利用率降低，导致降解效果不佳。因此，在先微电解1 h后LTP放电1 h，铁碳比为2∶1，PTA废水pH值为5的条件下，放电电压为28 kV的处理效果最好。

2.5 pH对PTA废水处理效果的影响

调节放电电压为28 kV，放电间距为5 mm，铁碳比为2∶1，先微电解1 h后LTP放电1 h条件下处理PTA废水，pH对PTA废水COD降解率的影响，见图5。

由图5可知，随着PTA废水pH值的增大，COD降解率先升后降。这是因为废水在弱酸条件下较稳定，有机污染物难以被降解。因此，在放电电压28 kV 时，先微电解1 h后LTP放电1 h，铁碳比2∶1，废水的pH值为6时处理效果最好。

图5 PTA废水pH值对PTA废水COD降解率影响Fig.5 Influence of pH value of PTA wastewater on COD degradation rate of PTA wastewater

2.6 正交实验

在单因素实验基础上，以铁碳比、放电时间、放电电压、PTA废水pH值为影响因素，各取3个水平，以COD降解率为指标，进行正交实验，因素与水平见表2，结果见表3。

表2 正交实验因素与水平Table 2 Levels and factors of orthogonal test

表3 正交实验结果Table 3 Orthogonal test results

由表3可知，影响PTA废水COD降解率因素从高到低的顺序为A>D>B>C，即：铁碳比>PTA废水pH值>放电电压>放电时间。最优方案是A3B3C1D2，即铁炭比为3∶1，放电电压为30 kV，放电时间为50 min，PTA废水pH值为6。验证实验表明，COD降解率达到90.87%。

综上所述，处理PTA废水的最优条件是：铁炭比为3∶1，PTA废水pH值为6，先微电解1 h后，低温等离子体放电1 h,放电电压为30 kV,放电时间为50 min。在此条件下，PTA废水COD降解率为90.87%。

3 结论

微电解耦合低温等离子体技术处理PTA废水的最佳条件是：微电解铁碳比为3∶1，废水pH值为6。先微电解1 h后低温等离子体放电1 h，放电电压为 30 kV，放电时间为50 min。在此条件下，COD降解率达到90.87%。