基于光催化法的焦化废水处理技术研究.pdf

图 1XPA-7 型光化学反应仪搅拌开关调速电机控制磁盘水槽滤光装置灯石英冷阱冷凝水进水冷凝水出水冷凝水进水试管架冷凝水出水磁子旋转开关温度显示窗基于光催化法的焦化废水处理技术研究陈安才（拜城县众泰煤焦化有限公司，新疆阿克苏842300）摘要：为了进一步提升焦化废水的处理效果，提高其环保性，提出了一种新的基于光催化法的焦化废水处理方案。以 TiO2/MWCNTs 复合光催化剂为核心，对 MWCNTs 掺杂率对焦化废水降解效果的影响、催化剂含量对焦化废水降解效果的影响、双氧水含量对焦化废水降解效果的影响进行研究。结果表明，当 MWCNTs 掺杂率为 0.5%、催化剂质量浓度为 1.0 g/L、过氧化氢用量为 1.50 mL/L 时具有最佳的净化效果，此时对水中 COD 的除去率达到了52.4%，对水中 UV254 的除去率达到了 78.8%。关键词：光催化法；焦化废水；双氧水；催化剂中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1004-7050（2023）09-0232-020引言焦化废水是一种在炼焦过程中产生的液体，其含有大量的酚、胺等污染物，在排放前需要经过净化处理，否则将对环境产生严重的污染。目前焦化废水常用的净化方法包括厌氧-缺氧-好氧法、电化学氧化法、膜分离法等1。但随着环保要求的不断提高，现有的净化体系存在着净化效率低、成本高、净化不彻底等问题，难以满足高效净化处理需求。结合焦化废水的特性，提出了一种新的基于光催化法的焦化废水处理技术，以二氧化钛为光反应催化剂，以多壁碳纳米管（MWCNTs）作为催化剂载体2，以过氧化氢为电子俘获剂实现了对焦化废水的深处理。本文重点对不同试剂组合下的基于光催化法的焦化废水处理效果进行了研究，结果表明，当 MWCNTs掺杂率为 0.5%、催化剂（TiO2/MWCNTs）质量浓度为1.0 g/L、双氧水用量为 1.50 mL/L 时具有最佳的净化效果，此时对水中 COD 的除去率达到了 52.4%，对水中UV254的除去率达到了 78.8%，有效提升了对焦化废水的深化处理效果。1试剂与设备准备为了确保试验的准确性，对试验用的试剂和设备提出了较高的要求，因此在进行充分分析后，采用了纯度为 99.6%的多壁碳纳米管（MWCNTs）试液、纯度为 30%的过氧化氢试液。过氧化钛采用了随用随制的方案，首先将 10 mL 的钛酸四丁酯以及 20 mL 的酒精和 0.2 g 的 CTMAB（十六烷基三甲基溴化铵）完全混合，然后加入 5 g 的 CH3COOH，静置后形成溶液 A。利用 10 mL 酒精和 2 mL 的蒸馏水混合后加入硝酸，将溶液的 pH 值调节为 2，静置后形成溶液 B。然后把两种溶液混合，搅拌形成溶胶，待干燥后将其放入马弗炉中烘干，形成过氧化钛粉末3。反应时的光化学反应采用了 XPA-7 型化学反应仪，其结构如图 1 所示。对污水中 COD 值的测定采用了日本岛津公司的测定仪，对 UV254的测定则采用了北京普析通公司的 TU-1901 型测试仪4。2MWCNTs 掺杂率对净化效果影响分析对掺杂率分别为 0、0.25%、0.5%、1.0%情况下的MWCNTs 对焦化废水净化效果的影响进行分析，在进行对比验证时过氧化氢的加入量控制在 1.6 mL/L，过氧化钛的添加量为 1 g/L，所使用的焦化废水的 pH 值为 7.9。不同掺杂率情况下对水中 COD 的净化效果如图 2-1 所示，对 UV254的净化效果如图 2-2 所示。由实际测试结果可知，当掺杂率在 00.5%的情况下，污水中 COD 的去除率随着掺杂率的增加而变收稿日期：2022-12-07作者简介：陈安才，男，1985年出生，毕业于新疆工程学院，本科，注册安全工程师、化工工程师，研究方向为安全管理。总第 214 期2023 年第 9 期山西化工Shanxi Chemical IndustryTotal 214No.9，2023DOI:10.16525/14-1109/tq.2023.09.092图 2不同掺杂率对污水净化效果分析504030201000.00%0.25%0.50%1.00%3060900120150180反应时间/min8060402000.00%0.25%0.50%1.00%3060900120150180反应时间/min2-1不同掺杂率情况下COD 去除率变化曲线2-2不同掺杂率情况下UV254去除率变化曲线环境治理2023 年第 9 期图 4不同过氧化氢含量对污水净化效果分析60504030201000.0 mL0.5 mL1.0 mL1.5 mL2.0 mL3060900120150180反应时间/min8060402003060900120150180反应时间/min0.0 mL0.5 mL1.0 mL1.5 mL2.0 mL4-1不同过氧化氢用量情况下 COD 去除率变化曲线4-2不同过氧化氢用量情况下 UV254去除率变化曲线图 3不同催化剂含量对污水净化效果分析504030201000.0 g/L0.5 g/L1.0 g/L1.5 g/L3060900120150180反应时间/min8060402003060900120150180反应时间/min0.0 g/L0.5 g/L1.0 g/L1.5 g/L3-1不同催化剂质量浓度情况下 COD 去除率变化曲线3-2不同催化剂质量浓度情况下 UV254去除率变化曲线大，最大为 45.1%。污水中 UV254的去除率随着掺杂率的增加而变大，最大为 67.8%。当掺杂率继续增加的情况下，污水中 COD 的去除率和 UV254的去除率则随着掺杂率的增加而逐步降低5。这主要是由于，过量的 MWCNTs 会产生团聚现象，导致其无法分散，进而降低了溶液对光的吸收率，影响了整体的反应效果。3催化剂（TiO2/MWCNTs）含量对污水净化效果影响选择 MWCNTs 的掺杂率为 0.5%，过氧化氢的加入量控制在 1.6 mL/L，焦化废水的 pH 值为 7.9，反应时间为 150 min 的情况下对不同催化剂添加量对废水的净化效果进行分析，催化剂（TiO2/MWCNTs）的添加量分别为 0、0.5、1.0、1.5 g/L。不同催化剂含量情况下对水中 COD 的净化效果如图 3-1 所示，对 UV254的净化效果如图 3-2 所示。由实际测试结果可知，当催化剂质量浓度在 01.0 g/L 的情况下，污水中 COD 的去除率随着催化剂含量的增加而变大，最大为 45.3%。污水中 UV254的去除率随着催化剂含量的增加而变大，最大为 68.1%。当催化剂含量继续增加的情况下，污水中 COD 的去除率和 UV254的去除率则随着催化剂含量的增加而逐步降低。这主要是由于过量的催化剂会产生大量的悬浮颗粒6，导致溶液反应时对光的利用率下降，影响了净化效果。4过氧化氢含量对污水净化效果影响选择 MWCNTs 的掺杂率为 0.5%，焦化废水的 pH值为 7.9，催化剂（TiO2/MWCNTs）的添加量为 1.0 g/L，反应时间为 150 min 的情况下对不同过氧化氢含量对废水的净化效果进行分析。过氧化氢的用量分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0 mL/L。不同过氧化氢用量情况下对水中 COD 的净化效果如图 4-1 所示，对 UV254的净化效果如图 4-2 所示。由实际测试结果可知，当过氧化氢用量在 01.5 mL/L 的情况下，污水中 COD 的去除率随着过氧化氢含量的增加而变大，最大为 52.4%。污水中 UV254的去除率随着过氧化氢含量的增加而变大，最大为78.8%。当过氧化氢含量继续增加的情况下，污水中COD 的去除率和 UV254的去除率则随着过氧化氢含量的增加而逐步降低。这主要是由于过氧化氢不但是电子的受体，而且还是氢氧根的清除剂7，但含量高时过氧化氢和氢氧根反应生成水和氧气，进而降低了在催化反应时的氧化效率，因此影响了对水中污染物的净化效果。5结论针对现有的焦化废水处理方案所存在的净化效果差的不足，提出了一种以 TiO2/MWCNTs 复合光催化剂为核心的焦化废水处理方案，对该方案的测试设备、试剂要求及不同工况下对废水中 COD 的去除率、UV254的去除率进行了研究。结果表明，当 MWCNTs 掺杂率为 0.5%、催化剂（TiO2/MWCNTs）含量为 1.0g/L、双氧水用量为 1.50mL/L时对水中 COD 的除去率达到了 52.4%，对水中 UV254的除去率达到了 78.8%。与传统净化处理方案相比，对 COD 的去除率增加了 11.4%，对 UV254的除去率增加了 18.8%，极大地提升了焦化废水的处理效果和环保性。参考文献1李娟，赵安婷，邵姣婧，等.Cu/还原氧化石墨烯光催化复合材料的制备及其光催化性能J.复合材料学报，2018，35（9）：2551-2557.2马海艳，赵利霞，张辉，等.H2O2调控 TiO2体系中活性氧物种的产生及其五氯酚的降解过程J.中国科学：化学，2018，48（10）：1280-1289.3王维大，王丽丽，孙岩柏，等.电化学氧化耦合铁感应电极激发过硫酸盐氧化处理焦化废水生化出水J.环境化学，2019，38（11）：2563-2572.4李志强，吕娜，蒋兰英.商业正渗透膜的改性及其用于处理焦化废水的研究J.化工学报，2020，71（Supple1）：461-470.5陈莉荣，成路姣，谷振超，等.天然磁铁矿/UV/S2O82-对焦化废水中不同种类有机物的去除特性J.化工学报，2018，69（12）：5292-5300.6韩涛，陈梓晟，林冲，等.臭氧流化床深度处理焦化废水尾水过程中有机组分变化分析J.环境科学学报，2016，36（1）：149-155.7韩涛，陈梓晟，林冲，等.臭氧流化床深度处理焦化废水尾水过程中有机组分变化分析J.环境科学学报，2016，36（1）：149-155.（英文摘要下转第 236 页）陈安才：基于光催化法的焦化废水处理技术研究233窑窑山西化工第 43 卷Research on the Treatment Technology of Coking Wastewater Based on PhotocatalysisChen Ancai（Baicheng County Zhongtai Coal Coking Co.,Ltd.,Aksu Xinjiang 842300,China）Abstract:In order to further improve the treatment efficiency of coking wastewater and its environmental friendliness,a new cokingwastewater treatment scheme based on photocatalysis was proposed.Taking TiO2/MWCNTs composite photocatalyst as the core,theinfluence of MWCNTs doping rate on the degradation effect of coking wastewater,the influence of catalyst content on the degradation effectof coking wastewater,and the influence of hydrogen peroxide content on the degradation effect of coking wastewater were studied.Theresults showed that the optimal purification effect was achieved when the doping rate of MWCNTs was 0.5%,the catalyst concentration was1.0 g/L,and the amount of hydrogen peroxide was 1.50 mL/L.At this time,the removal rate of COD in water reached 52.4%,and theremoval rate of UV254 in water reached 78.8%.Key words:photocatalytic method;coking wastewater;hydrogen peroxide;catalyzer（上接第 233 页）4运行成本分析本项目实际废水处理量为 2 5474 756 m3/d，运行成本主要包含设备电费、化学药品费、污泥外运费、自来水费、压缩空气费、人员管理费等。其中电费为0.65 元/m3，化学药品包括 NaOH、H2SO4、CaCl2、PAC、PAM、FeCl2、NaClO、双氧水去除剂、重铺剂费用3.61元/m3，污泥外运费费用 1.7 元/m3；自来水费用0.05 元/m3；压缩空气费用 0.58 元/m3；人工费用0.53元/m3；总运行费用为 7.12 元/m3。5结论本项目作为半导体行业典型多种废水处理工艺，新型生物处理技术可供同行业半导体生产及 GaAs封测项目废水处理提供参考。采用“短程硝化+新型厌氧氨氧化”工艺进行废水脱氮，氨氮出水浓度达到20 mg/L，TN 出水质量浓度 35 mg/L；含氟废水、研磨废水、含铜废水采用“化混反应+混凝沉淀”工艺出水氟离子质量浓度为 15mg/L，铜离子质量浓度为 0.3mg/L；含砷、含金、含银、含镍废水采用“化学沉淀+ACF/保安过滤+树脂吸附”工艺均可满足排放标准，其中总镍、总银、总锡排放质量浓度降至 0.1 mg/L 远高于DB 32/37472020 排放标准要求。参考文献1宋韶华，刘永军，杨璐，等.厌氧氨氧化技术在废水处理中的研究与应用进展J.水处理技术，2022，48（10）：6-12.2李朋.半导体硅片行业废水处理工程实例J.洁净与空调技术，2022（2）：59-61.3周莉，费洋.半导体、液晶面板行业含铜废水处理新工艺J.中国新技术新产品，2022（2）：136-138.4王春冬，厉晓华，孟双双.300 mm 半导体厂含 Cu 废水处理工程应用J.环境科技，2017，30（4）：39-41.5柳廷龙，肖祥江，单吉云，等.半导体生产含砷废水处理回用工程J.工业水处理，2017，37（4）：96-98.6汪涛，邢芳华，王志强，等.厌氧氨氧化反应器研究进展J.水处理技术，2022，48（2）：34-38.7王子源.化工工艺管道安装质量控制要点分析J.中国设备工程，2022（5）：127-129.8齐京燕，李旭东，曾抗美，等.厌氧氨氧化反应器研究进展J.应用与环境生物学报，2007（5）：748-752.9袁峥嵘.化工工艺管道安装质量控制和技术管理J.化工管理，2022（20）：134-137.Example of a New Process for Treating Semiconductor Industry Wastewater EngineeringWang Lichun,Xu Wenxiang,Zhang Yumeng,Zheng Denghu,Ling Shuiyi,Wang Xiaogang,Tian Yongkang（Jiangsu Zhongdian Innovation Environmental Technology Co.,Ltd.,Wuxi Jiangsu 214000,China）Abstract:As the only source of chips,the semiconductor industry is facing increasingly severe wastewater treatment problems in theproduction and manufacturing process,especially in various wastewater treatment processes.Taking a newly built 6-inch and 12-inchsemiconductor manufacturing and GaAs sealing project in Wuxi,Jiangsu Province as an example,process research was conducted.For itssystem containing fluoride wastewater,ammonia nitrogen wastewater,organic wastewater,acid alkali wastewater,and heavy metalwastewater,processes such as dosing coagulation sedimentation method,short range nitrification+new anaerobic ammonia oxidation,coagulation sedimentation method were used to ensure that the effluent meets the discharge standards,providing reference for the treatmentof mixed wastewater in the semiconductor industry for peer learning and exchange.Key words:semiconductor wastewater;short range nitrification;anaerobic ammonia oxidation;coagulation sedimentation;MBR process236窑窑