一種處理地下水硝基苯污染的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種處理地下水硝基苯污染的裝置及方法，其特征在于：所述裝置包括主體反應室、電源、汞燈、電極陽極、電極陰極、攪拌器、曝氣充氧裝置、儲液槽和回流泵；電極陽極附近設置加料口，主體反應室的底部設置回流口，其側壁上端設置進水口，其側壁下端設置出水口，其內(nèi)部中央插設攪拌器，主體反應室內(nèi)平行插設電極陽極和電極陰極，電極陰極附近插設曝氣充氧裝置，主體反應室外部上方設置電源和汞燈，電極陽極和汞燈的一端均連接電源正極，電極陰極和汞燈的另一端均連接電源負極；儲液槽位于主體反應室外部，儲液槽的一端連接主體反應室的出水口，其另一端通過回流泵連接主體反應室的回流口。本發(fā)明可以廣泛用于處理含硝基苯的地下水。
【專利說明】一種處理地下水硝基苯污染的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種處理地下水的裝置及方法，特別是關于一種處理地下水硝基苯污染的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]硝基苯是一種無色或微黃色具苦杏仁味的油狀液體，具有生物積累性和致癌、致畸、致突變的三致作用，被列于世界“環(huán)境優(yōu)先控制有毒有機污染物”的名單前列，同時也屬于我國確定的52種優(yōu)先控制的有毒化學品中的一種。它是一種常見的、廣泛使用的劇毒化工原料，主要應用于合成染料、醫(yī)藥、除草劑、殺蟲劑、洗滌劑、炸藥、橡膠及塑料助劑等。由于我國社會經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)展造成廢水排污量的急劇上升，加上廢水處理過程中的滲漏、事故排放和污泥處置過程中經(jīng)滲濾液的滲漏，因此導致大量硝基苯類化合物進入地表水及地下水環(huán)境。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年約有1.2萬噸硝基苯進入環(huán)境，而硝基苯在水中具有極高的穩(wěn)定性，其不溶于水且密度大于水，進入水體的硝基苯會沉入水底，長期保持不變，因此造成的水體污染會持續(xù)相當長的時間。另外，硝基苯可能通過呼吸作用、皮膚吸收和食物進食等方式進入人體內(nèi)并對人類的血液、肝及中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用。
[0003]目前國內(nèi)外關于硝基苯污染的地下水處理方法包括物理法、化學法和生物法。物理法主要包括吸附法、氣提法和萃取法；化學法包括臭氧氧化法、電化學方法、Fenton試劑氧化法、超聲波氧化法、超臨界水氧化法和脈沖等離子放電法等；生物法主要包括好氧生物法、厭氧生物法和多步處理法。對于物理法而言，污染物只是從一個污染場地被轉移到另一個污染場地，并不能從根本上去除硝基苯污染物，且處理周期長，工作量大；化學法去除硝基苯效率高，反應速度快，但所需藥品費用和能耗較高；生物法具有處理量大、成本低、不會造成二次污染等優(yōu)點，但通常需要與前處理及預處理聯(lián)合使用，因其處理過程復雜，人類對硝基苯類化合物降解途徑仍知之甚少，另外，若地下水中硝基苯的濃度很高，微生物就有可能中毒，其作用被抑制。`[0004]始于20世紀80年代的電Fenton法作為電化學方法中的一種,其實質(zhì)是在電解過程中直接生成Fenton試劑，電化學反應生成的Fe2+和H2O2作為Fenton試劑的持續(xù)來源，F(xiàn)e2+和H2O2反應生成具有高度活性的? OH (羥基自由基)。? OH的氧化電位達2.8ev,并具有很強的氧化性，它能無選擇地將絕大多數(shù)有機物徹底降解氧化成C02、H20和其他無機物。電Fenton法根據(jù)Fe2+和H2O2的產(chǎn)生方式可以分為不同類型，如陰極電Fenton法(即O2在陰極還原生成H2O2, Fe2+由外界加入)、犧牲陽極法(Fe2+由Fe在陽極氧化產(chǎn)生，H2O2由外界加入)、電Fenton —鐵還原法(Fe2+由Fe3+電極在陰極氧化產(chǎn)生，H2O2由外界加入)、EF一鐵氧化一H2O2 (Fe2+由Fe在陽極氧化產(chǎn)生，H2O2由O2在陰極還原產(chǎn)生)、EF—鐵還原一H2O2 (Fe2+和H2O2分別由Fe3+和O2在陰極還原產(chǎn)生)、Fenton污泥循環(huán)法(Fenton反應器和一個將Fe (OH) 3轉化成Fe2+的電池)等。
[0005]光電Fenton氧化法是在電Fenton反應器中加入紫外燈，在紫外燈發(fā)出的紫外光的作用下電Fenton反應由于鐵離子的光還原和H2O2光輻射分解的協(xié)同作用而使有機物高效降解。與電Fenton相比,光電Fenton的突出優(yōu)點是紫外光的引入可誘導H2O2產(chǎn)生大量的-OH,紫外光和Fe2+對H2O2的催化分解具有協(xié)同作用，使H2O2的分解速率遠大于單純Fe2+或紫外光催化分解速率的簡單加和，保持了 H2O2較高的利用率，并提高了電流利用效率，因此處理效果優(yōu)于電Fenton氧化法,但只采用光電Fenton氧化法對硝基苯進行降解，降解效率仍較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題,本發(fā)明的目的是提供一種采用光電Fenton和納米零價鐵聯(lián)合技術能夠高效、充分地處理地下水硝基苯污染的裝置及方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案:一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:它包括主體反應室、電源、汞燈、電極陽極、電極陰極、攪拌器、曝氣充氧裝置、儲液槽和回流泵；所述主體反應室的頂部且在所述電極陽極附近設置一加料口，所述主體反應室的底部設置一回流口，所述主體反應室的側壁上端設置一進水口，所述主體反應室的側壁下端設置一出水口，所述主體反應室內(nèi)部中央插設有所述攪拌器，所述主體反應室內(nèi)平行插設有所述電極陽極和電極陰極，所述電極陰極附近插設有所述曝氣充氧裝置，所述主體反應室外部上方設置所述電源和汞燈，所述電極陽極連接所述電源正極，所述電極陰極連接所述電源負極，所述汞燈的一端連接所述電源正極，所述汞燈的另一端連接所述電源負極；所述儲液槽位于所述主體反應室的外部,所述儲液槽的一端連接所述主體反應室的出水口，所述儲液槽的另一端通過所述回流泵連接所述主體反應室的回流口。
[0008]所述進水口處和出水口處分別設置一閥門。
[0009]所述主體反應室和所述儲液槽均采用石英玻璃制作而成。
[0010]所述電源采用直流穩(wěn)壓穩(wěn)流式電源，其量程為0~120V。
[0011]所述汞燈采用功率為IOW~20W、汞蒸汽壓力為10~lOOPa、中心波長為254nm以及發(fā)射的紫外光呈線狀的低 壓汞燈。
[0012]所述電極陽極采用碳棒、鈦-釕和摻硼金剛石膜電極中的一種，所述電極陰極采用活性炭纖維、石墨和碳纖維氈電極中的一種。
[0013]所述攪拌器采用三葉旋槳式攪拌器，攪拌速度為100~300rpm。
[0014]一種采用所述處理地下水裝置的方法，包括以下步驟:1)根據(jù)需要處理的含硝基苯的地下水量，設置一包括主體反應室、電源、汞燈、電極陽極、電極陰極、攪拌器、曝氣充氧裝置、儲液槽和回流泵的處理地下水硝基苯污染的裝置；所述主體反應室設置有加料口、進水口、回流口和出水口，所述進水口處和出水口處分別設置有閥門；2 )通過控制閥門，將待處理的含硝基苯的地下水通過進水口注入到主體反應室中；3)將硫酸或鹽酸溶液通過加料口持續(xù)加入到主體反應室中，調(diào)節(jié)主體反應室中溶液的pH值，使主體反應室中溶液的pH值保持在2~3.5 ;4)通過曝氣充氧裝置向主體反應室中間歇式通入O2 ;5)打開電源，O2在電極陰極表面發(fā)生還原反應,生成H2O2 ；6)將納米零價鐵通過加料口加入到主體反應室中，并開啟攪拌器，對含納米零價鐵、硝基苯地下水、硫酸鈉電解質(zhì)和反應生成的H2O2的混合液進行充分攪拌，納米零價鐵在電極陰極表面與H2O2發(fā)生Fenton反應，產(chǎn)生具有強氧化性的羥基自由基，羥基自由基降解氧化硝基苯，生成不含硝基苯污染物的溶液；7)汞燈發(fā)出的紫外光誘導H2O2產(chǎn)生羥基自由基，羥基自由基進一步降解氧化硝基苯，生成不含硝基苯污染物的溶液；8)當通過測量得知氧化還原電位基本保持不變時，打開出水口處的閥門，反應完成后不含硝基苯的溶液通過出水口流入儲液槽中，溶液中部分未反應的納米零價鐵經(jīng)回流泵通過回流口流入主體反應室中，繼續(xù)與含硝基苯的地下水混合反應，直到投入的納米零價鐵反應完為止。
[0015]所述步驟7)中，納米零價鐵采用KBH4和NaBH4中的一種還原鐵鹽溶液，并用硅微粉和活性炭中的一種在還原生成的納米大小零價鐵粒子表面進行負載的方法獲得。
[0016]所述步驟7)中，汞燈位于主體反應室外部的上方，距主體反應室中混合液的液面IOcm 處。
[0017]本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明由于包括主體反應室、電源、汞燈、電極陽極、電極陰極、攪拌器、曝氣充氧裝置、儲液槽和回流泵，在主體反應室中，攪拌器對含納米零價鐵、硝基苯地下水、硫酸鈉電解質(zhì)和反應生成的H2O2的混合液進行充分攪拌，因此本發(fā)明能夠保證硝基苯被充分降解。2、本發(fā)明由于主體反應室的底部設置有一回流口，回流口通過回流管與回流泵連接，因此主體反應室中部分未反應的納米零價鐵通過回流泵能夠回流到主體反應室中繼續(xù)循環(huán)利用。3、本發(fā)明由于在主體反應室中納米零價鐵在電極陰極表面與H2O2發(fā)生Fenton反應，產(chǎn)生大量具有強氧化性的? 0H，? OH能夠降解硝基苯，生成無污染的物質(zhì)，因此本發(fā)明能夠長時間、有效地處理含硝基苯的地下水。
4、本發(fā)明由于電極陰極表面生成的H2O2在汞燈發(fā)出的紫外光的誘導下能夠產(chǎn)生? 0H，? OH能夠降解硝基苯，生成無污染的物質(zhì)，因此本發(fā)明能夠提高對硝基苯的降解效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的 處理地下水硝基苯污染的裝置結構示意圖【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明的處理地下水硝基苯污染的裝置包括主體反應室1、電源2、汞燈3、電極陽極4、電極陰極5、攪拌器6、曝氣充氧裝置7、儲液槽8和回流泵9。主體反應室I的頂部且在電極陽極4附近設置一加料口 11，主體反應室I的底部設置一回流口 14，主體反應室I的側壁上端設置一進水口 12，主體反應室I的側壁下端設置一出水口 15，主體反應室I內(nèi)部中央插設有攪拌器6，主體反應室I內(nèi)平行插設有電極陽極4和電極陰極5，電極陰極4附近插設曝氣充氧裝置7，主體反應室I外部上方設置電源2和汞燈3，電極陽極4連接電源2正極，電極陰極5連接電源2負極，汞燈3的一端連接電源2正極，汞燈3的另一端連接電源2負極；儲液槽8位于主體反應室I的外部,儲液槽8的一端連接主體反應室I的出水口 15，儲液槽8的另一端通過回流泵9連接主體反應室I的回流口 14。
[0021]上述實施例中，進水口 12和出水口 15處分別設置一閥門13。
[0022]上述實施例中，主體反應室I和儲液槽8可以為圓柱體或長方體等結構,主體反應室I和儲液槽8的體積根據(jù)所需要處理的地下水量確定，主體反應室I和儲液槽8均采用石英玻璃制作而成。
[0023]上述實施例中，電源2采用直流穩(wěn)壓穩(wěn)流式電源，其量程為0~120V。
[0024]上述實施例中，汞燈3采用功率為IOW~20W、汞蒸汽壓力為10~lOOPa、中心波長為254nm以及發(fā)射的紫外光呈線狀的低壓汞燈。
[0025]上述實施例中，電極陽極4可以采用碳棒、鈦-釕或摻硼金剛石膜電極等。
[0026]上述實施例中，電極陰極5可以采用活性炭纖維、石墨或碳纖維氈電極等。
[0027]上述實施例中，攪拌器6采用三葉旋槳式攪拌器，其攪拌速度為100~300rpm。
[0028]上述實施例中，曝氣充氧裝置7采用型號為QR-11-22的實驗裝置，其功率為520W、排氣量為 450L/min、風壓為 0.05Mpa。
[0029]基于本發(fā)明的硝基苯污染地下水的處理裝置，本發(fā)明提出了一種硝基苯污染地下水的處理方法，其包括以下步驟:
[0030]I)根據(jù)需要處理的含硝基苯的地下水量，設置一包括主體反應室1、電源2、汞燈
3、電極陽極4、電極陰極5、攪拌器6、曝氣充氧裝置7、儲液槽8和回流泵9的處理地下水硝基苯污染的裝置；主體反應室I設置有加料口 11、進水口 12、回流口 14和出水口 15，進水口 12處和出水口 15處分別設置有閥門13。
[0031]2)通過控制閥門13，將待處理的含硝基苯的地下水通過進水口 12以一定流速注入主體反應室I中。
[0032]3)將硫酸或鹽酸溶液通過加料口 11持續(xù)加入到主體反應室I中，調(diào)節(jié)主體反應室I中溶液的PH值，使主體反應室I中溶液的pH值保持在2~3.5 ;當主體反應室I中溶液的PH值滿足2~3.5時，停止向主體反應室I中加入硫酸或鹽酸溶液，當主體反應室I中溶液的PH值不滿足2~3.5時，繼續(xù)向主體反應室I中加入硫酸或鹽酸溶液，調(diào)節(jié)主體反應室I中溶液的pH值，使主體`反應室I中溶液的pH值滿足2~3.5。
[0033]4)通過曝氣充氧裝置7向主體反應室I的混合液中間歇式通入02。
[0034]5)打開電源I, O2在電極陰極5表面發(fā)生還原反應,生成H202。
[0035]6)將納米零價鐵通過加料口 11加入到主體反應室I中，并開啟攪拌器6，對含納米零價鐵、硝基苯地下水、硫酸鈉電解質(zhì)和反應生成的H2O2的混合液進行充分攪拌，納米零價鐵在電極陰極5表面與H2O2發(fā)生Fenton反應，產(chǎn)生具有強氧化性的羥基自由基，羥基自由基降解氧化硝基苯，生成不含硝基苯污染物的溶液。
[0036]7)汞燈2發(fā)出的紫外光誘導H2O2產(chǎn)生? 0H，? OH進一步降解硝基苯，反應生成不含硝基苯污染物的溶液。
[0037]8)當通過測量得知氧化還原電位基本保持不變時，認為主體反應室I的溶液中的硝基苯已完全被降解；打開出水口 15處的閥門13，反應完成后不含硝基苯的溶液通過出水口 15流入儲液槽8中，溶液中部分未反應的納米零價鐵由于沉降作用經(jīng)回流泵9通過回流口 14流入主體反應室I中，繼續(xù)與含硝基苯的地下水溶液混合反應，直到投入的納米零價鐵反應完為止。
[0038]上述實施例中，納米零價鐵因易被氧化，采用現(xiàn)場制備的方式獲得。其制備方法為:用KBH4或NaBH4還原鐵鹽溶液，得到納米大小零價鐵粒子，并用硅微粉或者活性炭在鐵粒子表面進行負載，以防止納米零價鐵被腐蝕。
[0039]下面通過具體實施例對本發(fā)明的硝基苯污染地下水的處理裝置及方法進行說明。
[0040]實施例1:根據(jù)需要處理的硝基苯地下水量自制尺寸為25cmX20cmX20cm的主體反應室I ;選用一根IOW的萊燈并將其固定于直徑為3cm的石英管內(nèi)；選用石墨電極作為電極陽極4，選用活性炭纖維電極作為電極陰極5，電極陽極4與電極陰極5的表面積均為32.97cm2,電極陽極4與電極陰極5之間的距離為15cm。
[0041]采用該硝基苯污染地下水的處理裝置對含硝基苯的地下水進行處理的方法包括以下步驟:
[0042]I)將濃度為120mg/L的8L硝基苯地下水水樣通過進水口 12注入主體反應室I中。
[0043]2)將硫酸或鹽酸溶液通過加料口 11持續(xù)加入到主體反應室I中，調(diào)節(jié)主體反應室I中溶液的PH值，使主體反應室I中溶液的pH值保持為3。
[0044]3)通過曝氣充氧裝置7向主體反應室I的混合液中間歇式通入02，曝氣間隔為I小時,曝氣量為0.03m3A~0.5m3/h。
[0045]4)打開電源I, O2在電極陰極5表面發(fā)生還原反應,生成H202。
[0046]5)將納米零價鐵通過加料口 11加入到主體反應室I中，并開啟攪拌器6，對含納米零價鐵、硝基苯地下水、硫酸鈉電解質(zhì)和反應生成的H2O2的混合液進行充分攪拌，納米零價鐵在電極陰極5表面與H2O2發(fā)生Fenton反應，產(chǎn)生具有強氧化性的羥基自由基，羥基自由基降解氧化硝基苯，生成不含硝基苯污染物的溶液。
[0047]6)將汞燈2置于主體反應室I中混合液的液面上IOcm左右處，汞燈2發(fā)出的紫外光誘導H2O2產(chǎn)生大量的? 0H，進一步降解硝基苯，反應生成不含硝基苯污染物的溶液。
[0048]7)用ORP計(氧化還原電位分析儀，圖中未示出)測試主體反應室I中溶液的氧化還原反應程度，當ORP計顯示的氧化還原電位基本保持不變時，認為主體反應室I的溶液中的硝基苯已完全被降解；打 開出水口 15處的閥門13，反應完成后不含硝基苯的溶液通過出水口 15流入儲液槽8中，溶液中部分未反應的納米零價鐵由于沉降作用經(jīng)回流泵9通過回流口 14流入主體反應室I中，繼續(xù)與含硝基苯的地下水溶液混合反應，直到投入的納米零價鐵反應完為止。
[0049]上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結構、連接方式和各實施步驟等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
【權利要求】
1.一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:它包括主體反應室、電源、汞燈、電極陽極、電極陰極、攪拌器、曝氣充氧裝置、儲液槽和回流泵；所述主體反應室的頂部且在所述電極陽極附近設置一加料口，所述主體反應室的底部設置一回流口，所述主體反應室的側壁上端設置一進水口，所述主體反應室的側壁下端設置一出水口，所述主體反應室內(nèi)部中央插設有所述攪拌器，所述主體反應室內(nèi)平行插設有所述電極陽極和電極陰極，所述電極陰極附近插設有所述曝氣充氧裝置，所述主體反應室外部上方設置所述電源和汞燈，所述電極陽極連接所述電源正極，所述電極陰極連接所述電源負極，所述汞燈的一端連接所述電源正極，所述汞燈的另一端連接所述電源負極；所述儲液槽位于所述主體反應室的外部，所述儲液槽的一端連接所述主體反應室的出水口，所述儲液槽的另一端通過所述回流泵連接所述主體反應室的回流口。
2.如權利要求1所述的一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:所述進水口處和出水口處分別設置一閥門。
3.如權利要求1~2任一項所述的一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:所述主體反應室和所述儲液槽均采用石英玻璃制作而成。
4.如權利要求1~3任一項所述的一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:所述電源采用直流穩(wěn)壓穩(wěn)流式電源，其量程為O~120V。
5.如權利要求1~4任一項所述的一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:所述汞燈采用功率為IOW~20W、汞蒸汽壓力為10~lOOPa、中心波長為254nm以及發(fā)射的紫外光呈線狀的低壓汞燈。
6.如權利要求1~5任一項所述的一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:所述電極陽極采用碳棒、鈦-釕和摻硼金剛石膜電極中的一種，所述電極陰極采用活性炭纖維、石墨和碳纖維氈電極中的一種。
7.如權利要求1~6任一項所述的一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:所述攪拌器采用三葉旋槳式攪拌器，攪拌速度為100~300rpm。
8.一種采用如權利要求1~7任一項所述處理地下水裝置的方法，包括以下步驟: 1)根據(jù)需要處理的含硝基苯的地下水量，設置一包括主體反應室、電源、汞燈、電極陽極、電極陰極、攪拌器、曝氣充氧裝置、儲液槽和回流泵的處理地下水硝基苯污染的裝置；所述主體反應室設置有加料口、進水口、回流口和出水口，所述進水口處和出水口處分別設置有閥門； 2)通過控制閥門，將待處理的含硝基苯的地下水通過進水口注入到主體反應室中； 3)將硫酸或鹽酸溶液通過加料口持續(xù)加入到主體反應室中，調(diào)節(jié)主體反應室中溶液的pH值，使主體反應室中溶液的pH值保持在2~3.5 ; 4)通過曝氣充氧裝置向主體反應室中間歇式通入O2； 5)打開電源，O2在電極陰極表面發(fā)生還原反應,生成H2O2； 6)將納米零價鐵通過加料口加入到主體反應室中，并開啟攪拌器，對含納米零價鐵、硝基苯地下水、硫酸鈉電解質(zhì)和反應生成的H2O2的混合液進行充分攪拌，納米零價鐵在電極陰極表面與H2O2發(fā)生Fenton反應，產(chǎn)生具有強氧化性的羥基自由基，羥基自由基降解氧化硝基苯，生成不含硝基苯污染物的溶液； 7)汞燈發(fā)出的紫外光誘導H2O2產(chǎn)生羥基自由基，羥基自由基進一步降解氧化硝基苯，生成不含硝基苯污染物的溶液； 8)當通過測量得知氧化還原電位基本保持不變時，打開出水口處的閥門，反應完成后不含硝基苯的溶液通過出水口流入儲液槽中，溶液中部分未反應的納米零價鐵經(jīng)回流泵通過回流口流入主體反應室中，繼續(xù)與含硝基苯的地下水混合反應，直到投入的納米零價鐵反應完為止。
9.如權利要求8所述的一種處理地下水硝基苯污染的方法，其特征在于:所述步驟7)中，納米零價鐵采用KBH4和NaBH4中的一種還原鐵鹽溶液，并用硅微粉和活性炭中的一種在還原生成的納米大小零價鐵粒子表面進行負載的方法獲得。
10.如權利要求8或9任一項所述的一種處理地下水硝基苯污染的裝置，其特征在于:所述步驟7)中，汞燈位于主體反應室外部的上方，距主體反應室中混合液的液面IOcm處。
【文檔編號】C02F1/66GK103482729SQ201310361757
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權日:2013年8月19日
【發(fā)明者】盧宏瑋, 任麗霞, 何理 申請人:何理