CN104163467A - 紫外线协同二氧化氯水处理装置及处理方法 - Google Patents
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Abstract
紫外线协同二氧化氯水处理装置及处理方法，涉及水处理。所述处理装置设有反应容器、磁力搅拌器、全石英玻璃光源保护冷阱、紫外灯；所述反应容器的上部设有进样口，反应容器的下部设有取样口，磁力搅拌器设于反应容器的底部，全石英玻璃光源保护冷阱设于反应容器中，紫外灯设于全石英玻璃光源保护冷阱中，全石英玻璃光源保护冷阱的上部分别设有冷却水进水口和冷却水出水口，紫外灯的电源引线接电源。在反应容器中加入三氯生水溶液，先开启循环冷却水，然后启动磁力搅拌器，并开启紫外灯，同时加入二氧化氯，在紫外灯辐照以及二氧化氯产生的活性氯经紫外照射产生的羟基自由基协同二氧化氯的氧化性，从而除去水中的三氯生，完成水处理。
Description
技术领域
本发明涉及水处理，尤其是涉及一种紫外线协同二氧化氯水处理装置及处理方法。
背景技术
随着社会的发展，水体中有机污染物引起了人们对水质安全性的关注。水体中的微量有机污染物按其来源主要包括农药(如除草剂、杀虫剂等)、药品及个人护理品(PPCPs)、工农业原料和产品及排放的废弃物、化学物品和塑料制品、自然形成的化学物质(如水中嗅味物质等)、非故意生产副产物(如消毒副产物)等。尽管水中微量有机污染物的浓度很低，但由于常规的水处理工艺无法对其有效去除，微量有机污染物被持续地排入河流、湖泊等地表水中，最终进入饮用水源。微量有机污染物危害较大的是抗生素类物质和具有内分泌干扰作用的环境激素类物质，这些物质可以使微生物产生耐药性，影响人和动物的生殖发育、神经系统和免疫系统功能，以及产生致癌作用。水处理工艺中常采用氯消毒以增加水质的安全性。20世纪70年代后，人们发现传统的氯消毒会产生致畸、致癌、致突变的卤代烷等副产物，而UV消毒法则具有不投加化学药剂、不产生有毒有害的副产物、不增加水的嗅和味、消毒速度快、效率高、设备操作简单、便于运行管理和实现自动化等优点，克服了现有传统消毒的缺点，近年来逐渐得到广泛应用，但其不能持续消毒，而且由于其穿透能力很差，通常只能对样品表面进行消毒灭菌。
二氧化氯是一种水溶性强氧化剂，不是氯化剂，其氧化能力是氯气的2.6倍，其在水中的扩散速度更快，在较短浓度下可以更快速地有效杀灭有机物。
发明内容
本发明的目的在于提供可对水体中的微量有机污染物进行有效去除，从而达到提高饮用水水质目的的紫外线协同二氧化氯水处理装置及处理方法。
所述紫外线协同二氧化氯水处理装置设有反应容器、磁力搅拌器、全石英玻璃光源保护冷阱、紫外灯；所述反应容器的上部设有进样口，反应容器的下部设有取样口，磁力搅拌器设于反应容器的底部，全石英玻璃光源保护冷阱设于反应容器中，紫外灯设于全石英玻璃光源保护冷阱中，全石英玻璃光源保护冷阱的上部分别设有冷却水进水口和冷却水出水口，紫 外灯的电源引线接电源。
所述磁力搅拌器可采用平板式磁力搅拌器。
所述紫外灯的功率可调，紫外灯功率可采用20W，主波长为254nm，可用循环冷却水保持反应时稳定温度。
所述紫外协同二氧化氯用于水处理的方法，采用所述紫外线协同二氧化氯水处理装置，具体步骤如下：
在反应容器中加入三氯生(Triclosan,TCS)水溶液，先开启循环冷却水，然后启动磁力搅拌器，并开启紫外灯，同时加入二氧化氯，在紫外灯辐照以及二氧化氯产生的活性氯经紫外照射产生的羟基自由基协同二氧化氯的氧化性，从而除去水中的三氯生(TCS)，完成水处理。
本发明采用紫外与二氧化氯联合工艺，除了紫外对目标物质具有一定的去除作用外，溶液中ClO2可以生成活性氯Cl2和HClO，活性氯Cl2和HClO经UV辐照可以生成·OH，从而加快反应的进行，并且还有二氧化氯的氧化性对目标物质进行去除。另外，紫外与二氧化氯联用工艺对目标污染物的降解程度较高。UV/ClO2工艺中ClO2在水中发生以下反应：
ClO2→Cl2+O2 (1)
Cl2+H2O→HClO+HCl (2)
2HClO→Cl2+H2O (3)
本发明提出的紫外协同二氧化氯的水处理方法，其技术方案的特点是利用紫外辐照以及二氧化氯产生的活性氯经紫外照射产生的羟基自由基(·OH)协同二氧化氯的氧化性，对水中有机物进行去除。
本发明可以解决现有净水技术对无法有效去除水体中微量有机污染物的问题，具有工艺简单、时间短、对环境要求较低等优点，并可以减少副产物的生成。
本发明可适用于市政给排水和环境工程。
附图说明
图1为本发明实施例的组成示意图。
图2为UV、ClO2和UV/ClO2去除TCS效果的比较。图中标记▲为UV，●为ClO2，■为UV+ClO2。
图3为初始pH对TCS去除效率的影响。图中标记■为pH＝6，●为pH＝7，▲为pH＝8，▼为pH＝9。
图4为ClO2投加量对TCS去除效率的影响。图中标记■为0.50mg/L，●为0.75mg/L，▲为1.00mg/L，▼为1.25mg/L，为1.50mg/L。
图5为不同TCS初始浓度对TCS的去除效率的影响。图中标记■为100μg/L，●为200μg/L，▲为300μg/L，▼为400μg/L，为500μg/L。
图6为腐殖酸对TCS的去除效率的影响。图中标记■为1mg/1HA，●为3mg/1HA，▲为5mg/1HA，▼为7mg/1HA。
图7为单独ClO2和腐殖酸/ClO2对TCS去除效率的影响。图中标记■为1mg/1HA+0.5mg/1ClO2，●为0.5mg/1ClO2，▲为9mg/1HA+0.5mg/1ClO2。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，所述紫外线协同二氧化氯水处理装置实施例设有反应容器1、磁力搅拌器2、全石英玻璃光源保护冷阱3、紫外灯4；所述反应容器1的上部设有进样口5，反应容器1的下部设有取样口6，磁力搅拌器2设于反应容器1的底部，全石英玻璃光源保护冷阱3设于反应容器1中，紫外灯4设于全石英玻璃光源保护冷阱3中，全石英玻璃光源保护冷阱3的上部分别设有冷却水进水口7和冷却水出水口8，紫外灯4的电源引线接电源。
所述磁力搅拌器2可采用平板式磁力搅拌器。
所述紫外灯的功率可调，本发明选用紫外灯功率为20W，主波长为254nm，可用循环冷却水保持反应时稳定温度。
所述紫外协同二氧化氯用于水处理的方法，采用所述紫外线协同二氧化氯水处理装置，具体步骤如下：
在反应容器中加入三氯生(Triclosan,TCS)水溶液，先开启循环冷却水，然后启动磁力搅拌器，并开启紫外灯，同时加入二氧化氯，在紫外灯辐照以及二氧化氯产生的活性氯经紫外照射产生的羟基自由基协同二氧化氯的氧化性，从而除去水中的三氯生(TCS)，完成水处理。
以下给出运行条件优化及影响因素：
1 UV、ClO2和UV/ClO2去除TCS效果的比较
在光强为6.5μW/cm2、ClO2浓度为0.5mg/L、TCS浓度为300μg/L的条件下，考察了UV、ClO2和UV/ClO2联用三种工艺对TCS的去除，见图2。
由图2可知，单独UV无法对TCS快速去除，1min只能达到5％左右，60min才能达到91.33％；单独ClO2对TCS可以很好的去除，1min就达到84.93％；而UV/ClO2对TCS的降解作用最好，反应1min就能达到99.13％。在1min内UV/ClO2去除大于UV和ClO2去除之和，UV/ClO2工艺对TCS的去除具有协同作用。
UV对TCS的去除主要是UV照射产生的羟基自由基(·OH)参与反应。ClO2对TCS的去除主 要是ClO2的氧化去除。UV/ClO2工艺中ClO2在水中发生以下反应：
ClO2→Cl2+O2 (1)
Cl2+H2O→HClO+HCl (2)
2HClO→Cl2+H2O (3)
由式(1)～(3)可以看出，溶液中ClO2可以生成活性氯Cl2和HClO，活性氯Cl2和HClO经UV辐照可以生成·OH[1,2]。因而，UV/ClO2体系中不仅有UV辐照作用，还有ClO2的直接氧化，此外还有ClO2产生的活性氯经UV照射产生的·OH氧化作用，三者的共同作用增加了溶液中的·OH浓度，促进了TCS的去除，加快了反应的进行，所以UV/ClO2工艺具有协同作用，可以更好地去除有机物。
2初始pH对TCS去除效率的影响
在光强为6.5μW/cm2、ClO2浓度为0.5mg/L、TCS浓度为400μg/L的条件下，用硫酸和氢氧化钠调节pH值，考察pH对TCS的去除的影响，结果见图3。可以看出，溶液的初始pH对TCS的降解影响不大，在pH＝6、7、8和9时，1min去除率分别达99.4％、99.43％、99.48％和99.63％。研究表明TCS在碱性环境下更容易降解。
原因一可能是当溶液是弱碱时TCS有一部分以分子形式存在(TCS的pKa＝7.9)[3]，随着酸性的增强，以分子形式存在的TCS就越多，分子形式不易降解；而在碱性环境中，TCS是以负离子形式存在的[4,5]，更容易降解；原因二可能是在碱性条件下反应中的ClO2易发生歧化反应或被·OH消耗，ClO2不稳定，氧化性会有所降低，但在碱性条件下UV照射更容易产生·OH，而且氢氧根离子(OH-)是·OH的前驱体[6]，而在酸性条件下反应中的ClO2与UV产生的·OH并不反应或反应很少，ClO2比较稳定，可以表现出较强的氧化性，所以溶液由酸到碱对TCS的去除效率会由快逐渐变慢。
3 ClO2投加量对TCS去除效率的影响
在光强为6.5μW/cm2、TCS浓度为400μg/L的条件下，考察了ClO2投加量对TCS去除的影响。结果见图4。
由图4可知，TCS的去除效率随着ClO2投加量的增加而增大，ClO2的投加量分别为0.50、0.75、1.00、1.25和1.50mg/L时，1min后TCS的去除分别达到98.1％、98.72％、99.35％、99.62％和99.89％。这可能是因为在UV照射下，随着ClO2浓度的增加，生成更多促进·OH产生的物质，从而产生更多·OH促进TCS的去除；而提高ClO2浓度能增加强氧化性自由基浓度[7]；另一原因是随着反应的进行ClO2及·OH逐渐消耗，导致反应液中ClO2和·OH的浓度逐渐降低，使其氧化能力也逐渐降低；而且反应中TCS浓度一定，随着ClO2浓度的增加，在很短时间内TCS被迅速反应。
4 不同TCS初始浓度对TCS的去除效率的影响
在光强为6.5μW/cm2，ClO2浓度为0.5mg/L的条件下，考察TCS初始浓度对其去除的影响。结果见图5。
由图5可知，TCS初始浓度为100、200和300μg/L时，反应16s时TCS去除率达到96.16％、95.59％和95.35，而TCS浓度达到400μg/L时，则在反应30s时才能达到相同的去除率，较高浓度的TCS需要更长时间才能达到相同的去除率。这可能是因为溶液中TCS浓度高时，反应生成的中间产物，并且消耗掉一定量的·OH和ClO2，影响了TCS的去除。另一部分原因是UV照射时间及ClO2投加量不变时，TCS的初始浓度增加，单位TCS所受到的ClO2及·OH的几率降低，因此TCS的去除效率明显降低。
5腐殖酸对TCS的去除效率的影响以及单独ClO2和腐殖酸/ClO2对TCS去除效率的影响
腐殖酸(HA)是广泛存在于水体的最重要的天然吸光物质之一，光化学性质较为活泼，吸收光子后会引发一系列的自由及反应，产生活性氧自由基，从而影响共存体系中有机污染物等物质的迁移转化规律。在光强为6.5μW/cm2、ClO2浓度为0.5mg/L、TCS浓度为400μg/L的条件下，向标准溶液中投加腐殖酸，考察了腐殖酸对TCS去除效率的影响，结果见图6，单独ClO2和腐殖酸/ClO2对TCS去除效率对比见图7。
由图6可知，当腐殖酸在溶液中含量分别为1、3、5和7mg/L时，1min去除率分别为99.72％、99.6％、99.4％和99.22％。而且对于不同浓度的腐殖酸如1mg/L时在8s的去除率可达99.41％，而在3和5mg/L时达到相同的去除率则分别需要16和60s。由图7可知，低浓度的腐殖酸对TCS的去除有促进作用；高浓度的腐殖酸会和TCS产生竞争，从而影响TCS的去除效率。虽然紫外照射下腐殖酸可以增加·OH产生[8]，这将促进降解反应的进行，但腐殖酸会增加水中的色度影响光透率，从而抑制反应的进行，并且抑制作用可能占主导地位，腐殖酸的本身降解也会消耗一部分·OH。
紫外与二氧化氯联用工艺可以有效去除水中的TCS，试验条件内TCS的去除随pH增大而提高；ClO2投加量的增加促进TCS的去除；TCS的去除随着TCS初始浓度的增大而降低；低浓度的腐殖酸有利于TCS的去除，高浓度的腐殖酸则反之。
试验表明：紫外与二氧化氯联用具有协同作用，对TCS有很好的去除效果。
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Claims (4)
1.紫外线协同二氧化氯水处理装置，其特征在于设有反应容器、磁力搅拌器、全石英玻璃光源保护冷阱、紫外灯；所述反应容器的上部设有进样口，反应容器的下部设有取样口，磁力搅拌器设于反应容器的底部，全石英玻璃光源保护冷阱设于反应容器中，紫外灯设于全石英玻璃光源保护冷阱中，全石英玻璃光源保护冷阱的上部分别设有冷却水进水口和冷却水出水口，紫外灯的电源引线接电源。
2.如权利要求1所述紫外线协同二氧化氯水处理装置，其特征在于所述磁力搅拌器为平板式磁力搅拌器。
3.如权利要求1所述紫外线协同二氧化氯水处理装置，其特征在于所述紫外灯的功率可调，紫外灯功率为20W，主波长为254nm。
4.紫外协同二氧化氯用于水处理的方法，其特征在于采用如权利要求1所述紫外线协同二氧化氯水处理装置，具体步骤如下：
在反应容器中加入三氯生水溶液，先开启循环冷却水，然后启动磁力搅拌器，并开启紫外灯，同时加入二氧化氯，在紫外灯辐照以及二氧化氯产生的活性氯经紫外照射产生的羟基自由基协同二氧化氯的氧化性，从而除去水中的三氯生，完成水处理。
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