「水科技」微納米氣泡快速發生裝置在高難降解廢水中的應用

2020-10-13 中農富通

臭氧（O3）是一種強氧化劑，氧化電勢為2.7V，與有機物反應速度快且可就地生產，原料易得，不產生二次汙染，廣泛應用於汙水處理和水淨化等領域中。

臭氧能與水中各種形態存在的汙染物質（溶解、懸浮、膠體物質和微生物等）起反應，將複雜的有機物轉化為簡單的有機物或CO2和水，可使有機物的極性、生物降解性和毒性等發生改變。但是，由於臭氧遇水極不穩定，使其利用率不高，致使成本過高。因此，提高臭氧的利用率和氧化能力迫在眉睫。微納米氣泡快速發生裝置可使臭氧以微納米氣泡形式存在於水中，不僅可提高臭氧的利用率，還可進一步提臭氧的氧化能力。微納米氣泡快速發生裝置的誕生填補了該行業的空白，為臭氧的應用拓寬了更為廣闊的渠道。

1、利用率

臭氧在水中的氧化過程是傳質與化學反應同時進行的過程，因此，反應與傳質之間勢必互相影響和互相制約。臭氧的傳質效率與反應器中液體的紊動程度、臭氧在水中的分解與動力學以及產生氣泡的數量和大小有關，在相同的氣液流速條件下，氣泡的直徑愈小，單位體積液相所具有的相界面積愈大，即臭氧與水接觸面積愈大，臭氧的利用率就愈大。

通常的曝氣裝置釋放出來的氣泡直徑一般在毫米級（0.5mm～5mm），而微納米氣泡快速發生裝置產生的微納米氣泡直徑小於50μm，與通常氣泡相比，具有許多獨特的優勢，主要表現為非常大的比表面積、緩慢的上升速度以及較高的內部壓力和溶解度。微米氣泡在水中的存在和發展方式與通常氣泡有很大差異，通常氣泡從水中上升到氣液界面破碎，氣體逸出損失；而微納米氣泡在水中的穩定性很強，在水中上升時，逐步縮小成納米級，最後消減湮滅溶於水中，從而提高了氣體在水中的溶解度和反應速度，可使臭氧的利用率高達99％以上。



2、強化臭氧傳質效率

臭氧處理過程中，臭氧的利用效率受到臭氧傳質過程的影響，微納米氣泡臭氧處理可以強化臭氧傳質，顯著提高臭氧的利用效率，降低臭氧的使用量。

通過臭氧氧化活性黑KN-B和活性豔藍KN-R模擬廢水以及實際染料廢水的實驗結果表明。微納米氣泡體系中，臭氧的利用率一直保持在99％以上，而普通的鼓泡體系隨著反應的進行，尤其是90％的色度被去除後，臭氧的利用率顯著降低（低於50％）；採用微納米氣泡體系色度的去除速率要快於鼓泡系統，COD（化學需氧量）的降低快於鼓泡系統。以對苯二甲酸為化學探針對兩個體系產生的羥基自由基量進行了定性檢測，表明微納米氣泡體系產生的羥基自由基的量要高於鼓泡體系。在相同的進氣量下，微納米氣泡體系中的傳質係數和利用率分別是鼓泡系統的1.6～2.7倍和2.3～3.2倍，且水中臭氧濃度大於傳統鼓曝氣泡，有利於汙染物的去除。上述實驗結果表明，微納米氣泡可以強化臭氧傳質效率，同時可以促進更多羥基自由基的產生。

3、氧化降解能力

以染料廢水為目標反應物，證明了微納米氣泡對臭氧氧化的強化作用。臭氧氧化途徑包括直接的分子臭氧氧化和間接的羥基自由基氧化。和臭氧分子相比，羥基自由基具有更高的氧化活性（其氧化電勢為2.80V）。微納米氣泡的直徑非常小, 根據Yong-Lap lace方程ΔP = 2γ/ r（式中，ΔP為附加壓力，γ為表面張力，r為氣泡半徑）。直徑為50μm的氣泡其附加壓力約是直徑為5mm氣泡的100倍。具有較高內部壓力的，受壓後急劇升溫，可達5000K，在破碎溶解時，激發羥基自由基的產生，增強了臭氧的氧化能力。

關於微納米氣泡在水中收縮破碎過程中產生自由基的機理，表面電荷是解釋微納米氣泡行為的一個重要因素。微納米氣泡在蒸餾水中帶負電荷，其電位值約為-35mV。氣泡的直徑越小，其在水中的收縮速度越快，電位值也越大。在微納米氣泡收縮破碎的過程中，其電位值會增加，表明氣.水界面的表面電荷增加，由此證明，自由基的產生是由於氣水界面周圍的離子濃度的顯著增加所致。

將空氣微納米氣泡通入含有5mmol/LDMPO（5,5-二甲基-1-吡略林-N-氧化物）的蒸餾水中可以檢測到烴基自由基；將空氣微納米氣泡通入強酸溶液（水中加入鹽酸、硫酸或硝酸）中，也可檢測到羥基自由基；在強酸溶液中通入臭氧微納米氣泡，可以檢測到更多羥基自由基的產生。這一結果可以通過微納米氣泡臭氧溶液降解難以被臭氧分子氧化的聚乙烯醇得到證實，反應2h，溶液的TOC（總有機碳）減少了30％，而通入普通臭氧氣泡的平行對照實驗中，溶液的TOC沒有任何變化。

微納米氣泡不僅可以提高臭氧在水中的傳質速度和臭氧的利用率，還可以強化臭氧產生更多的羥基自由基，從而進一步提高臭氧的氧化能力。微納米氣泡快速發生裝置是一種高效低耗的新型臭氧利用裝置，可用於汙水處理工藝的前端預處理，也可用於末端的深度處理。用於預處理，不僅可大大降解有機物和其它汙染物，還能提高可生化性，為後續生化處理提供保障。廣泛應用於石油類汙染物廢水、焦化廢水、造紙廢水、紡織印染廢水、醫藥廢水、金礦電鍍等含氰廢水、含酚類廢水、苯環類廢水、含鐵、錳及其它重金屬廢水等工業廢水處理工藝中。

註：文章節選自《百項水技術彙編》第三章

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