宋可可 陳建銘 宋云華
(北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 北京 100029)
吡啶作為化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥等行業(yè)的原材料,其在生產(chǎn)和使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢水[1]。未經(jīng)處理的吡啶廢水被排放到環(huán)境中,會(huì)對水環(huán)境和土壤造成持久性污染。同時(shí),長時(shí)間接觸吡啶會(huì)對人的肝臟、腎臟、免疫系統(tǒng)和生殖功能產(chǎn)生有害影響。由于吡啶的高毒性和低生物降解性等問題,普通的生物法無法將其有效去除。高級(jí)氧化法能將吡啶降解為水、二氧化碳等小分子化合物,可用于生物法的預(yù)處理過程。目前,用于降解廢水中吡啶的高級(jí)氧化法有濕式氧化法[2-3]、電催化氧化法[4]、光催化氧化法[5-6]和催化臭氧氧化法[7-9]等。
臭氧(O3)具有極強(qiáng)的氧化能力(氧化還原電位E0=2.07 eV),已被廣泛應(yīng)用于生活污水的殺菌消毒、除臭和脫色。同時(shí)在有機(jī)廢水的處理中,臭氧也已被證明是一種行之有效的強(qiáng)氧化劑,但單獨(dú)臭氧氧化存在礦化率和臭氧利用率低以及具有選擇性等問題[9-11]。多相催化臭氧氧化技術(shù)是利用固體催化劑催化O3分解產(chǎn)生·OH等含氧自由基來降解有機(jī)污染物的一種高級(jí)氧化技術(shù)。·OH(E0=2.80 eV)的氧化能力比臭氧強(qiáng),無選擇性,所以在降解有機(jī)污染物方面比單獨(dú)臭氧具有更高的效率。
多相催化臭氧氧化常用的催化劑主要包括金屬氧化物[12-13]、負(fù)載型金屬氧化物[14-16]等固態(tài)材料。水滑石是一種層狀雙金屬氫氧化物材料,由于層間離子的可交換性,因此其具有良好的吸附性能,被廣泛用于廢水吸附及催化領(lǐng)域。但將水滑石作為多相催化臭氧氧化降解有機(jī)污染物的催化劑卻鮮有報(bào)道。
本文通過尿素水熱共沉淀法制備了一種焙燒態(tài)鋅鎂鋁類水滑石材料,將其運(yùn)用到多相催化臭氧氧化降解吡啶廢水的工藝中,表現(xiàn)出較好的去除效果,對含吡啶的工業(yè)難降解有機(jī)廢水的處理具有指導(dǎo)意義。
1.1.1實(shí)驗(yàn)原料
六水合硝酸鋅、六水合硝酸鎂、九水合硝酸鋁、尿素、氫氧化鈉、碘化鉀、無水乙醇、吡啶和叔丁醇,均為分析純,北京化工廠;濃硫酸、硫酸銀、硫酸汞和重鉻酸鉀,均為分析純,北京連華科技發(fā)展有限公司;對苯醌,分析純,天津福晨化學(xué)試劑廠。
1.1.2實(shí)驗(yàn)儀器
3S- A10型臭氧發(fā)生器(北京同林科技股份有限公司),5B- 3型化學(xué)需氧量(COD)測定儀(北京連華科技發(fā)展有限公司),PHS- 3E型pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器有限公司),DR6000型紫外可見分光光度計(jì)(美國哈希公司),F(xiàn)A2004型電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器公司),SX- G02103型馬弗爐(天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司),1100LC/MSD Trap型液相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC- MS)(美國Agilent公司),D8 Advanced型X射線衍射儀(XRD)(德國Bruker儀器公司),Vertex 703型傅里葉變換紅外光譜儀(FT- IR)(德國Bruker儀器公司)。
采用尿素水熱共沉淀法制備鋅鎂鋁類水滑石材料[17-18]。將2.97 g六水合硝酸鋅、1.28 g六水合硝酸鎂、1.88 g九水合硝酸鋁和2.4 g尿素分別加入到80 mL去離子水中。磁力攪拌使固體完全溶解后,將混合液倒入100 mL內(nèi)襯聚四氟乙烯的水熱釜中,放入烘箱中于120 ℃下水熱晶化48 h。水熱反應(yīng)結(jié)束后,將固液混合物分別用去離子水和無水乙醇離心洗滌3次,所得白色沉淀物在烘箱中于80 ℃下干燥12 h,得到鋅鎂鋁類水滑石(LDHs)。將LDHs放入馬弗爐中于500 ℃下焙燒2 h,可得焙燒態(tài)鋅鎂鋁類水滑石(LDOs)。
采用X射線衍射儀測試催化劑的XRD譜圖。測試條件為:X射線源為CuKα輻射,λ=0.154 06 nm,測試電壓和電流分別為40 kV和40 mA,掃描速度為5(°)/min,掃描范圍為5°~75°。
采用紅外光譜儀測試催化劑的紅外光譜。將固體催化劑粉末與溴化鉀按照一定比例混合壓片后進(jìn)行掃描,掃描范圍為400~4 000 cm-1。
圖1為催化臭氧氧化降解吡啶的裝置圖。工藝條件為:模擬吡啶廢水體積為1 L,初始吡啶的質(zhì)量濃度為100~500 mg/L,廢水初始pH為5~11,催化劑用量為0.2~1.0 g/L,反應(yīng)時(shí)間為40 min,臭氧流量為55 mg/min,反應(yīng)溫度為25 ℃。氧氣經(jīng)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧,然后通過位于鼓泡攪拌反應(yīng)器底端的鈦合金曝氣頭進(jìn)入吡啶廢水中,未反應(yīng)的臭氧廢氣用碘化鉀溶液吸收。反應(yīng)過程中在規(guī)定時(shí)間取樣測定。
圖1 催化臭氧氧化降解吡啶的裝置圖Fig.1 Schematic view of the apparatus for pyridine degradation by catalytic ozonation
采用紫外可見分光光度計(jì)在256 nm(吡啶的特征吸收波長)下測定吡啶濃度,按照式(1)計(jì)算吡啶降解率η。
(1)
式中,C0為初始吡啶的質(zhì)量濃度,mg/L;Ct為t時(shí)刻的吡啶質(zhì)量濃度,mg/L。
COD采用重鉻酸鉀分光光度法測定。分別向0號(hào)試管(空白對照)和1號(hào)試管加入2.5 mL的去離子水和待測水樣。將0.7 mL重鉻酸鉀- 硫酸汞溶液和4.8 mL硫酸- 硫酸銀溶液加入兩試管中,搖晃均勻。然后放入COD測定儀中加熱10 min,加熱完成后取出,于空氣中冷卻2 min。然后再各加入2.5 mL去離子水,搖晃均勻,放入冷水中冷卻2 min后倒入比色皿中,于610 nm波長下測定COD。
吡啶的降解有機(jī)產(chǎn)物采用LC- MS進(jìn)行分析。測試條件為:流動(dòng)相為甲醇(10%,體積分?jǐn)?shù),下同)、乙腈(20%)和水(30%),柱溫40 ℃,進(jìn)樣體積1.00 μL,流速0.8 mL/min,質(zhì)荷比(m/z)范圍為25~400,運(yùn)行時(shí)間22.5 min。硝酸根離子采用GB/T 7480—1987[17]檢測。
圖2為LDHs和LDOs的XRD譜圖。從圖2中可以看出,在2θ為11.48°、23.34°、34.82°、39.38°、46.88°、60.64°和61.94°附近的(003)、(006)、(009)、(015)、(018)、(110)和(113)晶面對應(yīng)于LDHs的特征衍射峰,峰型窄且尖銳,對稱性良好,表明所制備的LDHs結(jié)晶度高、規(guī)整性好且晶相單一[18]。另外,低角度特征衍射峰較強(qiáng),而高角度特征衍射峰相對較弱,這是水滑石層狀結(jié)構(gòu)的共同特征之一。(003)、(006)和(009)晶面的層間距d之間具有良好的倍數(shù)關(guān)系(d(003)=0.770 nm,d(006)=0.382 nm,d(009)=0.257 nm),表明LDHs具有較好的層狀結(jié)構(gòu)。LDHs經(jīng)500 ℃焙燒后,所得產(chǎn)物L(fēng)DOs的結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。LDHs在(003)、(006)、(009)等晶面的特征衍射峰消失,出現(xiàn)了ZnO的特征衍射峰,表明LDHs在焙燒過程中其層狀結(jié)構(gòu)遭到了破壞,層間結(jié)晶水及陰離子脫除。
圖2 LDHs和LDOs的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of LDHs and LDOs
圖3為LDHs和LDOs的FT- IR譜圖。從圖3中可以看出,LDHs在3 451、1 614、1 357、1 114、786、661 cm-1和441 cm-1等處出現(xiàn)了特征吸收峰。其中,3 451 cm-1附近的強(qiáng)吸收峰歸屬于羥基和層間結(jié)晶水的O—H鍵伸縮振動(dòng)峰,1 614 cm-1附近的吸收峰對應(yīng)于層間結(jié)晶水的彎曲振動(dòng)。1 357 cm-1和661 cm-1附近的吸收峰分別歸屬于碳酸根的反對稱伸縮振動(dòng)峰(v3)和反對稱彎曲振動(dòng)峰(v4),表明層間碳酸根排列的有序性[19]。3 100 cm-1附近出現(xiàn)的肩峰表明層間碳酸根與層間結(jié)晶水之間存在強(qiáng)氫鍵作用。在400~600 cm-1內(nèi)的吸收峰對應(yīng)于M—OH和M—O的晶格振動(dòng)(M=Zn、Mg和Al)[6]。與LDHs相比,LDOs層間結(jié)晶水的彎曲振動(dòng)以及碳酸根的反對稱伸縮振動(dòng)峰(v3)和反對稱彎曲振動(dòng)峰(v4)減弱或消失,表明層間結(jié)晶水的脫除以及碳酸根離子的分解,這與XRD的分析結(jié)果相一致。
圖3 LDHs和LDOs的FT- IR譜圖Fig.3 FT- IR spectra of LDHs and LDOs
圖4為LDOs、單獨(dú)O2、單獨(dú)O3、LDOs/O2和LDOs/O35種工藝體系對吡啶降解效果的影響。從圖中可以看出,單獨(dú)O3經(jīng)40 min反應(yīng)后對吡啶的降解率為59.1%,而LDOs/O3對吡啶的降解率提高到94.9%,這說明LDOs的引入可明顯提升臭氧對吡啶的降解效果。經(jīng)過40 min的吸附,LDOs對吡啶的去除率為20.6%。單獨(dú)O2和LDOs/O2對吡啶的去除率分別為1.3%和20.5%,這說明氧氣幾乎不與吡啶發(fā)生化學(xué)反應(yīng),LDOs的引入僅起到吸附作用,排除了催化臭氧過程中氧氣對吡啶降解效果的干擾作用。
反應(yīng)時(shí)間為40 min;反應(yīng)溫度為25 ℃;初始pH為7.0;初始吡啶的質(zhì)量濃度為300 mg/L;氣體流量為55 mg/min;廢水體積為1 L。圖4 不同工藝體系對吡啶降解率的影響Fig.4 Effect of different process systems on pyridine degradation efficiency
反應(yīng)時(shí)間為40 min;反應(yīng)溫度為25 ℃;初始pH為7.0;初始吡啶的質(zhì)量濃度為300 mg/L;臭氧流量為55 mg/min;廢水體積為1 L。圖5 LDOs用量對吡啶降解率和出水COD的影響Fig.5 Effects of LDOs dosage on pyridine degradation efficiency and effluent COD
反應(yīng)時(shí)間為40 min;反應(yīng)溫度25 ℃;催化劑用量為0.6 g/L;初始吡啶的質(zhì)量濃度為300 mg/L;臭氧流量為55 mg/min;廢水體積為1 L。圖6 廢水初始pH對吡啶降解率和出水COD的影響Fig.6 Effects of initial pH on pyridine degradation efficiency and effluent COD
反應(yīng)時(shí)間為40 min;反應(yīng)溫度為25 ℃;初始pH為7.0;催化劑用量為0.6 g/L;臭氧流量為55 mg/min;廢水體積為1 L。圖7 初始吡啶的質(zhì)量濃度對吡啶降解率和出水COD的影響Fig.7 Effects of initial pyridine mass concentration on pyridine degradation efficiency and effluent COD
反應(yīng)時(shí)間為40 min;反應(yīng)溫度為25 ℃;初始pH為7.0;催化劑用量為0.4 g/L;初始吡啶的質(zhì)量濃度為300 mg/L;臭氧流量為55 mg/min;廢水體積為1 L。圖8 LDOs使用次數(shù)對吡啶降解率和出水COD的影響Fig.8 Effects of LDOs usage time on pyridine degradation efficiency and effluent COD
圖5為催化劑LDOs的用量對吡啶降解率和出水COD的影響。從圖5(a)中可以看出,0~20 min反應(yīng)過程中,吡啶降解率隨催化劑用量的增加而增大,20~40 min反應(yīng)過程中,隨催化劑用量的增加,吡啶降解率先增大后趨于平緩,反應(yīng)40 min時(shí)吡啶降解率均可達(dá)到93.2%以上。從圖5(b)中可以看出,出水COD隨催化劑用量的增加,由150.5 mg/L逐漸減小至94.8 mg/L,但催化劑用量達(dá)到0.6 g/L以上時(shí),出水COD的減小開始變得緩慢。增加催化劑用量可提供更多與臭氧反應(yīng)的表面,使吡啶的降解速率增大,而催化劑用量增加到一定程度對吡啶的降解效果并沒有明顯提升,這可能是因?yàn)槿芙庠趶U水中的臭氧是有限的,隨著催化劑用量的增加,單位質(zhì)量催化劑吸附臭氧的比例越來越小。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,LDOs催化劑適宜的投加量為0.6 g/L。
圖6為廢水初始pH對吡啶降解率和出水COD的影響。從圖6(a)中可以看出,隨著廢水初始pH從5增至11,在0~40 min反應(yīng)過程中吡啶降解率在廢水初始pH=10時(shí)始終處于最大,反應(yīng)40 min時(shí)可達(dá)到96.9%。從圖6(b)中可以看出,出水COD先由159.5 mg/L(pH=5)減小至71.7 mg/L(pH=10),隨后又增大至120.4 mg/L(pH=11)。酸性條件下,臭氧主要通過直接氧化降解水中的吡啶分子,降解速率較慢。OH-是臭氧分解的鏈反應(yīng)的引發(fā)劑,能導(dǎo)致強(qiáng)氧化性·OH的形成。隨著初始廢水pH的升高,溶液中的OH-濃度增大,臭氧分子分解產(chǎn)生·OH的速度逐漸加快,從而提高了吡啶的降解速率。然而,當(dāng)廢水初始pH大于10時(shí),不利于LDOs催化臭氧氧化降解水中的吡啶。原因可能是強(qiáng)堿環(huán)境下會(huì)中和LDOs表面的Lewis酸位點(diǎn),影響了表面羥基的生成,不利于臭氧分子的吸附。另外,過量的·OH會(huì)相互作用生成H2O2,同時(shí)也會(huì)與臭氧分子分解過程中產(chǎn)生的HO2·反應(yīng),使吡啶廢水中·OH的數(shù)量大幅減少,導(dǎo)致吡啶降解率降低,出水COD增大。因此,LDOs/O3降解吡啶的適宜廢水初始pH為10。
圖7為初始吡啶的質(zhì)量濃度對吡啶降解率和出水COD的影響。從圖7(a)中可以看出,初始吡啶的質(zhì)量濃度C0=500 mg/L時(shí),在反應(yīng)40 min時(shí)吡啶降解率為91.1%,而C0=100、200 mg/L和300 mg/L時(shí)分別只需8.2、13.8 min和28.6 min即可達(dá)91.1%。從圖7(b)中可以看出,出水COD隨初始吡啶的質(zhì)量濃度的增大而增大,由40.6 mg/L增大至299.5 mg/L,值得注意的是,C0=100 mg/L和200 mg/L時(shí)出水COD維持在50 mg/L以下。初始吡啶的質(zhì)量濃度較高時(shí),水中臭氧濃度和催化劑用量相對不足。同時(shí)由于吡啶降解中間體的不斷累積,與吡啶分子共同競爭·OH,導(dǎo)致吡啶降解速率減慢和出水COD升高。
從圖8中可以看出,LDOs經(jīng)重復(fù)使用3次后,吡啶降解率由首次的94.7%下降到93.4%,下降率僅為1.4%,出水COD由首次的114.1 mg/L上升到126.4 mg/L,上升率為10.8%,這表明LDOs在前3次使用過程中循環(huán)穩(wěn)定性良好。而在第4次重復(fù)使用時(shí),吡啶降解率和出水COD分別達(dá)到了88.1%和165.5 mg/L,LDOs的催化活性開始明顯下降。這可能是因?yàn)檫拎そ到猱a(chǎn)物中含有硝酸根離子,由于水滑石的“記憶效應(yīng)”,LDOs在含有陰離子的溶液中會(huì)部分恢復(fù)LDHs結(jié)構(gòu),使LDOs的比表面積降低。同時(shí),LDOs在循環(huán)使用過程中,吡啶降解生成的有機(jī)物會(huì)覆蓋在催化劑表面的活性位點(diǎn)上,這也是可能導(dǎo)致LDOs催化活性下降的原因之一[20]。值得注意的是,將重復(fù)使用4次后的LDOs重新于500 ℃焙燒2 h,進(jìn)行第5次循環(huán)使用實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)LDOs的催化活性和首次使用時(shí)基本相當(dāng)。以上結(jié)果及分析表明,所制備的LDOs材料在催化臭氧氧化降解吡啶的工藝過程中表現(xiàn)出良好且長期的催化能力。
在催化臭氧氧化降解有機(jī)污染物的過程中,臭氧一般通過兩種機(jī)制氧化溶解在水中的有機(jī)污染物:臭氧直接氧化和臭氧分解為·OH的間接氧化。對于單獨(dú)臭氧氧化和催化臭氧氧化降解吡啶的過程,表觀反應(yīng)速率方程可用式(2)表示。
(2)
式中,Ct為t時(shí)刻吡啶的質(zhì)量濃度,CO3為水中臭氧的質(zhì)量濃度,C·OH為水中·OH的質(zhì)量濃度,ka為臭氧與吡啶之間的反應(yīng)速率常數(shù),kb為·OH與吡啶之間的反應(yīng)速率常數(shù),m、n和p為反應(yīng)級(jí)數(shù)。
由于通入的臭氧是連續(xù)且過量的,CO3和C·OH一般可近似看作常數(shù)。于是,可將式(2)改為表觀反應(yīng)速率常數(shù)方程,如式(3)所示。
(3)
(4)
式中,k為表觀反應(yīng)速率常數(shù)。當(dāng)m為1和2時(shí),將式(3)分別積分可得偽一級(jí)和偽二級(jí)表觀反應(yīng)速率方程,分別如式(5)和(6)所示。
(5)
(6)
式中,k1為偽一級(jí)表觀反應(yīng)速率常數(shù),min-1;k2為偽二級(jí)表觀反應(yīng)速率常數(shù),L/(mg·min);C0為初始吡啶的質(zhì)量濃度,mg/L;Ct為t時(shí)刻吡啶的質(zhì)量濃度,mg/L。
根據(jù)以上推論,對于單獨(dú)O3、LDHs/O3和LDOs/O33種工藝體系降解吡啶廢水的過程,將吡啶的質(zhì)量濃度Ct隨反應(yīng)時(shí)間t的變化分別進(jìn)行偽一級(jí)和偽二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合,擬合曲線如圖9所示。根據(jù)擬合優(yōu)度R2可以得出單獨(dú)臭氧和催化臭氧氧化降解吡啶的過程均近似符合偽二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。單獨(dú)O3、LDHs/O3和LDOs/O33種體系的表觀反應(yīng)速率常數(shù)k分別為1.76×10-4、7.30×10-4L/(mg·min)和2.04×10-3L/(mg·min),其中,LDOs/O3的表觀反應(yīng)速率常數(shù)分別是單獨(dú)O3的11.59倍和LDHs/O3的2.79倍。由此可見,LDOs/O3體系可明顯加快吡啶的降解速率,從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面證實(shí)了LDOs比LDHs具有更好的催化性能。
圖9 偽一級(jí)和偽二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合曲線Fig.9 Pseudo first order and pseudo second order kinetics fitting curves
反應(yīng)溫度為25 ℃;初始pH為10.0;催化劑用量為0.6 g/L;臭氧流量為55 mg/min;初始吡啶的質(zhì)量濃度為300 mg/L;廢水體積為1 L。圖10 TBA和p- BQ對吡啶降解率的影響Fig.10 Effects of TBA and p- BQ on pyridine degradation efficiency
在反應(yīng)時(shí)間為40 min,反應(yīng)溫度為25 ℃,初始pH為7.0,催化劑用量為0.6 g/L,臭氧流量為55 mg/min,初始吡啶的質(zhì)量濃度為300 mg/L,廢水體積為1 L的工藝條件下,通過LC- MS分析了氧化反應(yīng)后吡啶的降解產(chǎn)物。在保留時(shí)間為4.59 min處檢測到相對分子質(zhì)量為73的降解產(chǎn)物,其分子式為C3H7NO且可能存在2種結(jié)構(gòu)式,分別為N-甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺。同時(shí),從吡啶的降解產(chǎn)物中檢測出了硝酸根離子。因此,吡啶的主要降解產(chǎn)物可能為N-甲基乙酰胺或N,N-二甲基甲酰胺有機(jī)化合物以及硝酸根離子、二氧化碳和水等小分子無機(jī)化合物。
(1)XRD和FT- IR結(jié)果表明所制備的鋅鎂鋁類水滑石具有良好的層狀結(jié)構(gòu)。而經(jīng)過500 ℃焙燒以后,其層狀結(jié)構(gòu)遭到了破壞,層間結(jié)晶水及陰離子發(fā)生了脫除。
(2)對于初始質(zhì)量濃度為300 mg/L的吡啶廢水,在催化劑用量為0.6 g/L、初始pH為10和反應(yīng)時(shí)間為40 min的條件下,吡啶降解率和出水COD可分別達(dá)到96.9%和71.7 mg/L,并且初始吡啶的質(zhì)量濃度越低,降解速率越快。同時(shí),LDOs在臭氧氧化降解吡啶的工藝中具有良好的催化穩(wěn)定性。
(3)單獨(dú)臭氧和催化臭氧氧化降解吡啶的過程均近似符合偽二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,且LDOs的引入對臭氧氧化降解吡啶具有明顯的促進(jìn)作用,LDOs/O3催化氧化降解吡啶廢水的表觀反應(yīng)速率常數(shù)分別是單獨(dú)O3的11.59倍和LDHs/O3的2.79倍。同時(shí),實(shí)驗(yàn)證明了·OH是LDOs催化臭氧降解吡啶的主要自由基。吡啶的主要降解產(chǎn)物可能為N-甲基乙酰胺或N,N-二甲基甲酰胺有機(jī)物以及硝酸根離子、二氧化碳和水等小分子無機(jī)化合物。