化工有机废水的净化及水质成分分析实验综述报告

荣俊锋，刘瑾琳，韩家林，李新月，兰青青

（安徽理工大学 化学工程学院，安徽淮南 232001）

化工专业实验作为化学工程与工艺专业学生的重要实践教学环节，要求学生具备较强的专业理论素养，其重在培养学生实际动手操作能力、团队协作能力以及创新思维。工程教育专业认证理念强调专业实验应增强综合性、设计性实验比重，“化工有机废水的净化及水质成分分析”实验是依托相关省级教学研究项目、省级教学示范课，结合老师科研方向开发出的设计性实验，经化学工程与工艺专业多届学生试点，实验教学效果良好。

综合设计性实验主要训练学生归纳总结能力，并结合具体实际设计出合理、可行实验方案的一种实验。“化工有机废水的净化及水质成分分析”实验是“一题多解”的综合性实验，采用不同工艺方法净化化工废水，研究对比其优缺点；其又是“多参数优化”的设计性实验，对废水不同指标进行优化，获取最佳方案。实验采用讲授法、直观演示法、自主学习法。结合学生小组协作研究学习，让学生熟悉并掌握常见的化工有机废水净化方法，学会归纳总结，结合实际情况设计组合工艺解决实际问题。通过分析实验前后废水各项指标（SS、COD、BOD、NH3-N、VOC、色度、浊度等）来检验净化效果，达到综合训练的目的[1-2]。

1 实验目的

（1）了解并掌握几种常见的化工有机废水净化方法。

（2）学会归纳总结，结合实际情况设计组合工艺，解决实际问题。

（3）掌握几种常规水质指标分析方法及相关仪器的使用方法。

2 实验原理

低温等离子体处理化工有机废水兼具高能电子辐射、O3氧化和紫外光解等3 种效能，放电作用下活性粒子攻击有机污染物中的C-C键及其他不饱和键，使其发生断键和开环等一系列氧化反应，最终降解为CO2和H2O，或使部分大分子物质变成小分子物质。产生低温等离子体的方法主要有介质阻挡放电（DBD）、电晕放电（CD）、滑动弧放电（GRD）及接触辉光放电（CGD），其中以DBD 最为常用，本次设计性实验让学生在众多DBD反应器类型中进行选择[3-7]，如表1。

表1 反应器类型优缺点对比

3 实验步骤

（1）连接好自制的等离子体水处理反应装置。

（2）取模拟DMP 废水50 mL，加入等离子体反应器，接通等离子体反应器电源，打开回流冷凝装置，通入压缩空气，调节接触调压器，进行放电实验。在阴、阳极之间，绝缘有机玻璃和DMP废水充当放电介质，形成介质阻挡放电，产生具有高能活性的低温等离子体降解废水中的DMP。

（3）调节放电电压、放电时间及DMP 废水的指标参数。

（4）在不同反应条件下取样，采用重铬酸钾法（HJ 828—2017）测定溶液COD 值，再计算COD 的降解率。采用高精度浊度分析测定仪（HI 88703）测定浊度值，计算浊度去除率[3-6]。

4 结果与讨论

4.1 Fenton体系组分摩尔比对废水净化效果的影响

控制Fenton 体系H2O2/Fe2+摩尔比分别为2∶1，4∶1，6∶1，8∶1，10∶1。

取DMP 废水50 mL 于反应器中，先加入2 mL 0.1 mol/L的FeSO4溶液，按H2O2/Fe2+摩尔比分别为2∶1，4∶1，6∶1，8∶1，10∶1 加入0.4 mol/L 浓度的H2O21 mL，密封，测得pH 为3，为Fenton 氧化的最佳pH，氧化时间为1 h。然后其他组分别加入2 mL、3 mL、4 mL、5 mL 的H2O2溶液，测其COD值和浊度值。

由图1可见，当Fenton 氧化H2O2/Fe2+摩尔比例较小时，里面的Fe2+过量，导致·OH 生成速率过大，造成H2O2的无效分解，并且过量的Fe2+会捕获·OH。随H2O2/Fe2+摩尔比上升，DMP废水COD降解率逐渐增大，最高达71.4%。

图1 H2O2/Fe2+摩尔比对COD去除率的影响

由图2 可见，随着H2O2/Fe2+摩尔比增加，浊度会有波动，这跟硫酸亚铁的矾花（明矾在水解之后与水溶液里的杂质吸附结合，从而形成絮状物）有关。因此加入FeSO4后要给其一定的接触反应时间，且测浊度前要静置。

图2 H2O2/Fe2+摩尔比对浊度的影响

4.2 Fenton体系中H2O2初始浓度对废水净化效果的影响

取50 mL DMP 废水于反应瓶中，加入2 mL 的0.1 mol/L FeSO4溶液于反应瓶中，再加入0.2 mol/L 的H2O2溶液。密封，测得pH 为3，此为Fenton 氧化的最佳pH，氧化时间为1 h。其他组分别加入0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L 的H2O2溶液，测定COD 值并计算COD降解率，结果如图3。

图3 H2O2浓度对COD降解率的影响

由图3、图4 看出，随着H2O2浓度升高，COD 降解率和浊度都是波动变化的。反应刚开始氢氧化铁胶体逐渐增多，但随着H2O2的浓度增加，溶液产生的·OH 增多，·OH 与Fe2+结合速率加快[8-11]。H2O2浓度再升高时，H2O2会过多消耗·OH，H2O2把Fe2+氧化成Fe3+。

图4 H2O2浓度对浊度的影响

4.3 等离子体放电时间对废水净化效果的影响

控制放电电压为35 kV，放电时间分别为0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，反应结束后测量其COD 值并计算COD的降解率，结果如图5所示。

图5 放电时间对COD降解率的影响

由图5 看出，随着放电时间增加，COD 的降解率随着时间的推移呈现先上升后下降再上升的趋势。最佳单独放电时间为2.5 h，此时COD 的降解率达到52.3%。

由图6 看出，随着放电时间增加，样品浊度整体呈先下降再上升的趋势。当单独放电2 h，浊度最低，浊度随着放电时间延长而逐渐下降；但是当放电时间继续增加时，浊度上升的原因可能是因为等离子体放电时间过长时，产生了一种新的化合物，这种新的化合物污染了样品，导致浊度上升。

图6 放电时间对浊度的影响

4.4 等离子体放电电压对废水净化效果的影响

取100 mL浓度为50 mg/L的DMP废水于针板式等离子体反应器，设置放电时间为1 h，放电电压为100 V。放电结束后取样。重复上述步骤，分别设置放电电压为20 kV、25 kV、30 kV、35 kV、40 kV，测量其COD和浊度。

由图7 看出，放电电压对DMP 废水的COD 降解率最高可达到37.7%，但是整体的COD降解率并不高。随着放电电压升高，COD 降解率由高到低再到高，原因可能是在25～35 kV 时，当电压升高时，在反应体系里的等离子体密度已经趋于饱和，导致COD降解率降低；当电压高于35 kV时，在有限的空间内等离子体的密度上升了，所以在相同时间内有机污染物被氧化的量上升了。但是当电压高于40 kV 时，放电电压过高，导致热量太大，在等离子体反应器的壁上沾满了大量水蒸气，导致放电总是断断续续的，放电效率低，甚至不放电，所以不探究电压高于40 kV的情况[8-14]。

图7 放电电压对COD降解率的影响

由图8 看出，在单独等离子体放电的情况下，浊度呈现先下降再上升再下降的趋势，当电压等于35 kV时，浊度突然上升，是因为电压升高时产生了新的絮状化合物，导致水样的浊度值升高。但随电压继续升高，絮状化合物逐渐被降解，浊度值下降。电压40 kV 时，浊度小于1.0 NTU，达到国家排放标准。

图8 放电电压对浊度的影响

4.5 联用方法顺序对废水净化效果的影响

本实验有两种研究方向：①先Fenton氧化，后NTP；②先NTP，后Fenton 氧化。投加摩尔比为4∶1 的H2O2/Fe2+的Fenton 试剂，放电时间为1.5 h，在不同放电电压条件下，用上述两种不同的研究方法测定样品的COD，选择最佳方法。

图9 选用两种不同降解方法研究其中的某一变量（放电电压）对COD 降解率的影响可以明显看出，先进行Fenton氧化、后等离子体放电对COD降解率更高，且两者差别相当明显。可能是先等离子体放电会破坏有机大分子的结构，导致Fenton氧化产生的羟基自由基作用效果不明显，亦或是抑制了羟基自由基的活性。因此后续实验让同学们采取先Fenton氧化，后NTP的方法。

图9 不同处理方法放电电压对COD的影响

5 总结

本实验通过介绍新型水处理方法，分析各种水处理方法的原理、优缺点，阐述各种方式的具体操作过程，重点介绍水质指标的含义与测定方法，让学生根据处理前后水质指标变化分析所采用方法的净化效率，并对实验进行总结，训练了学生的归纳总结能力和综合设计实验方案的能力；让学生总结可能获得的实验结论，并分析实验结论对后续水处理方式改进的指导意义，进一步培养了学生科学严谨的实验学习态度，为后续其毕业实习、毕业（设计）论文以及走上工作岗位打下坚实基础。