基于撞击流的臭氧氧化降解亚甲基蓝废水

林洁丽，陆泽伟，朱豪成，黄敏怡，刘国辉，谢智浩

（佛山科学技术学院化学工程系，广东佛山 528000）

撞击流反应器[1]是一种能加大介质间微观混合程度、提高反应速率的装置[1]。相向流动的物质在撞击面上相互撞击，形成一个高速湍流、颗粒浓度最高的撞击区，为强化化学反应提供了极好的条件。撞击流在干燥、吸收、气体和固体的冷却和快速加热、混合、多相反应等过程中发挥了良好的促进作用[1-2]。

印染废水中的难降解有机物严重影响废水的达标排放和回收利用。国内处理印染废水以生物处理为主，辅助以臭氧、膜处理等物化手段，效果较差、工艺复杂且不能满足市场变化的需求。本文利用撞击流原理制作的反应器，将臭氧和模拟废水的亚甲基蓝溶液进行混合反应，旨在提高亚甲基蓝的降解率。

1 材料与方法

1.1 试剂和仪器

亚甲基蓝（Methylene Blue，MB）、NaOH（化学纯）、HCl（化学纯）均购自上海麦克林生化科技有限公司。

CH-ZTW3G臭氧发生器，广州创环臭氧电器设备有限公司；550W/8L空气压缩机，台州市奥突斯工贸有限公司；25FSB-10L氟塑料泵，上海氟鑫泵阀有限公司；LZB-10WB防腐玻璃转子气体流量计、LZB-25防腐玻璃转子液体流量计，兴化市祥锦流量仪表厂；高精度pH测试笔，上海力辰邦西仪器科技有限公司；气液撞击流反应器，自制，结构示意图如图1所示。

图1 撞击流反应管结构示意图

1.2 臭氧氧化的撞击流实验

1.2.1 亚甲基蓝模拟废水配制

称取1.87 g亚甲基蓝置于500 mL容量瓶中，定容、摇匀并配制成0.01 mol/L的溶液，并稀释得到浓度为0.01 mmol/L、0.02 mmol/L、0.03 mmol/L、0.04 mmol/L、0.05 mmol/L的亚甲基蓝溶液。利用NaOH和HCl将配好的亚甲基蓝溶液调成弱碱性，pH值约为7.5。

1.2.2 实验仪器连接

如图2所示，将臭氧发生器与反应器连接。通过控制臭氧流出量，把10 L浓度为0.01 mmol/L的亚甲基蓝溶液输入反应器，将其与臭氧撞击充分反应20 min。

图2 实验仪器连接示意图

1.2.3 单因素试验

测试不同臭氧浓度（20 mg/min、30 mg/min、40 mg/min、50 mg/min、60 mg/min、70 mg/min、80 mg/min）、不同反应时间（5～60 min，每5 min测一次）、不同亚甲基蓝初始浓度（0.01 mmol/L、0.02 mmol/L、0.03 mmol/L、0.04 mmol/L、0.05 mmol/L）下，臭氧对亚甲基蓝的降解率。

2 结果与分析

2.1 不同臭氧量的影响

不同臭氧浓度下，亚甲基蓝的降解率如图3所示。臭氧浓度较低时，降解率随浓度增高而显著提升，当浓度大于50 mg/min时，增加缓慢，最终趋于饱和。因此选择合适的臭氧浓度非常重要。刘占孟等[3]利用有机玻璃反应管进行臭氧氧化实验时发现臭氧的流量对降解率影响不明显，他们认为流量的增加虽然会提高臭氧浓度促进降解，但也会增大气泡、增加气泡聚合概率从而降低臭氧利用率。本研究发现臭氧浓度影响显著，是因为本反应器能够充分利用撞击面提高反应接触范围和反应速度，提高了臭氧的利用率。

图3 臭氧浓度对降解率的影响

2.2 不同反应时间的影响

图4是在臭氧浓度不变条件下对给定的亚甲基蓝溶液反应处理时间不同的降解效果。采用60 mg/min的臭氧浓度，对10 L浓度为0.01 mmol/L的亚甲基蓝溶液进行氧化反应1 h。前20 min的反应时间越长，降解率明显增加，当反应时间超过20 min后，反应时间的增加对降解率影响不大。由此可见，基于撞击流原理设计的反应管利用亚微米级反应面的强反应作用，可以极大减少反应时间。

图4 反应时间对降解率的影响

2.3 不同亚甲基蓝初始浓度的影响

采用60 mg/min的臭氧浓度，分别对10 L不同浓度的亚甲基蓝溶液进行氧化反应20 min，测试亚甲基蓝初始浓度对降解率的影响。结果如图5所示，浓度为0.01 mmol/L时，降解率超过96%；随着亚甲基蓝初始浓度的增大，降解率降低。对高浓度的亚甲基蓝溶液或者废水，可以通过提高臭氧含量或者反应时间以达到同样高的降解率。比较图3～5可以发现在相同实验条件下，实验的重复率很高。

图5 亚甲基蓝初始浓度对降解率的影响

3 结论

臭氧氧化亚甲基蓝溶液的效果受气体流量、反应时间以及亚甲基蓝初始浓度的影响，高浓度的臭氧、长的反应时间、低的初始浓度都有利于亚甲基蓝的降解。撞击流反应管的设计能增加反应接触面，促进臭氧分解产生较多自由基，提高臭氧利用率，因此选择更低的臭氧浓度和更短的反应时间就能达到同样高的降解率，这样不仅降低臭氧的使用量也能缩短处理时间，有利于降低废水处理的成本。