油田氨氮廢水的納米TiO2光催化處理

　　下面是小編為大家整理的關于油田氨氮廢水的納米TiO2光催化處理的了論文，歡迎各位化學專業的同學借鑒!

　　摘要：以納米TiO2為催化劑，在紫外光的作用下對氨氮廢水進行光催化反應，分別考察了常溫下TiO2投加量、反應時間、廢水初始pH、外加H2O2對處理效果的影響。結果表明，對于100 mg/L的含NH3-N廢水，當催化劑納米TiO2用量為2.5 g/L、廢水初始pH 8.5、反應時間為180 min、H2O2投加量為0.5 mg/L時，氨氮廢水的去除率最高，達到了88.1%。

　　關鍵詞：納米二氧化鈦;光催化處理;油田氨氮廢水

　　隨著工業廢水、油田廢水的大量排放，氨氮作為水體中一種常見污染物，正嚴重影響著人類以及動植物的正常生活[1-3]。氨氮進入水體后，在硝化細菌的作用下，將消耗大量的溶解氧，造成水中動植物的死亡。同時，將導致水體的富營養化，這也是造成近年來河流湖泊“水華”和近海海域“赤潮”的重要原因之一。在污水回用過程中，氨氮也將腐蝕、堵塞管道和用水設備，尤其是對銅具有較強的腐蝕性[4，5]。因此，去除水中的氨氮是環境保護的重要環節。目前氨氮廢水的處理技術有生物硝化、折點氯化、氨吹脫、氨汽提、離子交換等方法[6]。

　　作為一種高效、無選擇性、無二次污染的污水深度處理技術，光催化氧化技術日益受到人們的重視[7]。二氧化鈦以其無毒、難溶于水、性質穩定、易于制備等優點，常作為光催化氧化的材料。納米二氧化鈦粒徑僅為普通二氧化鈦的1/10，可通過散射光和波長更短的紫外光。由于顆粒的納米化，使其表面活性位增加，大大增強了其催化性能[8-12]。試驗以納米二氧化鈦為催化劑，采用光催化氧化技術處理實驗室模擬的氨氮廢水，研究了各項因素對催化效果的影響。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗材料

　　UV-2000 紫外-可見分光光度計[尤尼柯(上海)儀器有限公司];FC204電子天平(上海精密科學儀器有限公司);PHS-25B 精密酸度計(上海大普儀器有限公司);254 nm 紫外光源(125 W)(北京電光源研究所);KQ-200KDE 超聲清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);CJJ78-1 磁力攪拌器(金壇市曉陽電子儀器廠)。P25型TiO2;氨水;鹽酸;氫氧化鈉;雙氧水等(均為分析純)。試驗對象為實驗室模擬油田浮選后的氨氮廢水，利用氨水配制成相應濃度，初始濃度為100 mg/L。

　　1.2 試驗方法

　　光催化降解試驗采用實驗室自行設計的反應器。將300 mL含氨氮廢水和定量的TiO2加入到反應器中，以125 W高壓汞燈作為光源，反應距離固定為12 cm。反應器放置于磁力攪拌器上方，以保證整個反應在均勻的狀態下進行。在常溫下以一定的紫外光照射，改變納米TiO2的用量、光照時間、pH、外加氧化劑用量等反應條件，每隔一定時間取樣離心分離。通過測定反應前后氨氮指標，考察納米TiO2光催化法對氨氮廢水的處理效果以及最佳反應條件。

　　去除率=[(反應前氨氮含量-反應后氨氮含量)/反應前氨氮含量]×100%

　　氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法。

　　2 結果與分析

　　2.1 單獨催化劑吸附和單獨紫外光照射下氨氮的去除效果

　　單獨納米TiO2吸附和單獨紫外光照射處理后氨氮濃度變化的比較。結果表明，在經過3 h的處理后，單獨納米TiO2吸附對氨氮的去除率為5.2%，單獨254 nm紫外光照射對氨氮的去除率達到10.7%，表明單獨納米TiO2吸附與單獨紫外光照射對氨氮沒有明顯的降解作用。

　　2.2 納米TiO2投加量對氨氮去除效果的影響

　　以254 nm紫外光照射，改變納米TiO2添加量，對100 mg/L 氨氮廢水進行處理，其NH3-N的去除效果隨時間的變化如圖2所示。結果表明，在試驗條件下，隨著納米TiO2用量的增加，氨氮的去除率先增加后降低。當TiO2的用量達到2.5 g/L時，處理180 min氨氮的去除率最高，達到了75.5%;再增加TiO2的用量，氨氮去除率反而會降低。其主要原因是在一定波長紫外光照射下，催化劑用量越大，空穴-電子對越多，進而增加強氧化劑·OH的產量，從而提高反應效率，提高了氨氮的去除率。但當TiO2的用量過高時，降低了水的透光性，在散射和屏蔽作用的雙重影響下，降低對紫外光的利用率，使空穴-電子對數量降低，因而影響反應效率。

　　2.3 光照時間對氨氮去除效果的影響

　　在254 nm紫外光照射下，納米TiO2用量為2.5 g/L，改變光照時間后測定NH3-N的去除率，結果表明，隨著反應時間的增加，NH3-N的去除率逐漸增大，但180 min時NH3-N的去除率與150 min時相比略為增長，反應已接近平衡。再延長光照時間，將增加反應電能消耗，增加成本，所以取光照時間為180 min。

　　2.4 初始pH 對氨氮去除效果的影響

　　溶液的初始pH 將會影響納米TiO2表面所帶電荷的性質和氨氮在水中的存在狀態，從而影響氨氮的去除效果。在254 nm紫外光照射下，納米TiO2用量為2.5 g/L，對100 mg/L 氨氮廢水進行處理，在不同的pH 下反應180 min，測定NH3-N的去除率，結果如圖4所示。由圖4可知，在酸性條件下，光催化劑表面呈正電性，產生的靜電斥力減少了反應物質在催化劑表面的吸附，不利于光催化反應的進行。而且在酸性條件下，OH-的數量較少，從而減少了·OH的產量。同時，TiO2在水中等電點為pH 6，此時光催化氧化反應的活性最低。因而，在酸性條件下氨氮的去除率均較低，隨著pH的逐漸增大，OH-的數量會增加，生成的·OH增加，氨氮的去除率也隨之增大。同時，氨氮在水體中以NH3·H2O和NH4+兩種狀態存在，隨著pH升高，溶液中NH3·H2O分子所占比例增大，在攪拌過程中，有一部分NH3·H2O分子被空氣吹脫出來，進而提高了氨氮的去除率。在pH 8.5時，氨氮的去除率很高，達到了86.2%;在pH 9.5時，氨氮的去除率達到了87.6%;當pH≥10以后，隨著吹脫作用占主導地位，反應效率迅速提高。考慮到吹脫作用會將污染物排放到大氣中，造成大氣污染，同時，考慮到在pH 8.5 和pH 9.5 時氨氮的去除率相差不大，故試驗過程中取pH 8.5。

　　2.5 氨氮的起始濃度對氨氮去除效果的影響

　　在254 nm紫外光照射下，納米TiO2用量為2.5 g/L，調節初始pH 8.5，分別對初始濃度為100、150、200、250 mg/L的氨氮廢水進行處理，測定NH3-N的去除率，考察氨氮的初始濃度對氨氮去除效果的影響，結果如圖5所示。從圖5可以看出，在完全相同的試驗條件下，隨廢水中氨氮初始濃度提高，光催化降解的效果呈上升趨勢。在處理180 min時氨氮初始濃度為100 mg/L時去除率達到82.6%，當氨氮初始濃度為250 mg/L時，去除率達到了91.0%。這說明針對不同濃度，甚至是較高濃度的氨氮廢水均可達到較高的去除率。

　　2.6 H2O2投加量對氨氮去除效果的影響

　　H2O2作為一種常用來提高光催化反應效率的強氧化劑，試驗將其作為外加氧化劑。在254 nm紫外光照射下，納米TiO2用量為2.5 g/L，對100 mg/L 氨氮廢水進行處理，分別加入0.25、0.50、0.75、1.00 mg/L H2O2測定NH3-N的去除率，結果如圖6所示。由圖6可知，隨H2O2的投加量逐漸增加，NH3-N的去除率先升高后降低，H2O2的投加量為0.5 mg/L時NH3-N的去除率最高。這是因為H2O2作為一種強氧化劑，可以有效地捕獲TiO2導帶上的光生電子，從而使電子和空穴分離，產生·OH，同時在光的照射下，H2O2本身也能分解產生·OH。然而隨著H2O2加入量的繼續增加，NH3-N的去除率降低。這是由于過量的H2O2可能與NH3-N在催化劑表面發生競爭吸附所致。

　　3 結論

　　納米TiO2在處理不同濃度的氨氮廢水時，均有良好的去除效果。對于100 mg/L的NH3-N廢水，當催化劑納米TiO2用量為2.5 g/L、pH 8.5、反應時間為180 min、H2O2投加量為0.5 mg/L時具有很好的氨氮去除效果，廢水的氨氮去除率達到了88.1%。

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