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臭氧氧化脫色實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
臭氧是氧的同素異構(gòu)體,具有很強(qiáng)的氧化性,不僅能容易的氧化廢水中的不飽和有機(jī)物,而且還能使芳香族化合物開(kāi)環(huán)和部分氧化,提高廢水的可生化性。臭氧極不穩(wěn)定,在常溫下分解為氧。用臭氧處理廢水的最大優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生二次污染,且能增加水中的溶解氧,臭氧通常用于水體的消毒,在廢水脫色及深度處理中也漸獲得應(yīng)用。在工業(yè)上,一般采用無(wú)聲放電制取臭氧,原料為空氣,廉價(jià)易得。因此利用臭氧處理水和廢水具有廣闊的前景。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)希望達(dá)到以下目的:
1.了解特性,掌握臭氧濃度測(cè)定方法;
2.通過(guò)對(duì)染色廢水的處理,了解臭氧處理工業(yè)廢水的基本過(guò)程。
二、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備
實(shí)驗(yàn)儀器:臭氧發(fā)生器,洗氣瓶,堿式滴定管,量筒,錐形瓶,pH試紙,分光光度計(jì),大燒杯;
實(shí)驗(yàn)試劑:2%的KI溶液,醋酸,0.005mol/L的Na2S2O3 ,1%淀粉溶液,蒸餾水,分散藍(lán)溶液
三、實(shí)驗(yàn)原理
臭氧是一種強(qiáng)氧化劑,它的氧化能力在天然元素中僅次于氟。
臭氧在污水處理中可用于除臭、脫色、殺菌、消毒、降酚、降解COD、BOD等有機(jī)物。
臭氧在水溶液中的強(qiáng)烈氧化作用,不是O3本身引起的,而主要是由臭氧在水中分解的中間產(chǎn)物·OH基及HO2基引起的。很多有機(jī)物都容易與臭氧發(fā)生反應(yīng)。例如臭氧對(duì)水溶性染料、蛋白質(zhì)、氨基酸、有機(jī)氨及不飽和化合物、酚和芳香族衍生物以及雜環(huán)化合物、木質(zhì)素、腐殖質(zhì)等有機(jī)物有強(qiáng)烈的氧化降解作用;還有強(qiáng)烈的殺菌、消毒作用。
臭氧氧化的優(yōu)點(diǎn):
1.臭氧能氧化其它化學(xué)氧化,生物氧化不易處理的污染物,對(duì)除臭、脫色、殺菌、降解有機(jī)物和無(wú)機(jī)物都有顯著效果;
2.污水經(jīng)處理后污水中剩余的臭氧易分解,不產(chǎn)生二次污染,且能增加水中的溶解氧;
3.制備臭氧利用空氣作原料,操作簡(jiǎn)便。
工業(yè)上采用高壓(1.5—3萬(wàn)伏)高頻放電制取臭氧,通常制得的是含1—4%臭氧的混合氣體,稱為臭氧化氣體。
1.
臭氧氧化有機(jī)物的機(jī)理:
1)直接反應(yīng)機(jī)理—臭氧分子直接進(jìn)攻有機(jī)物的反應(yīng)
(1)打開(kāi)雙鍵,發(fā)生加成反應(yīng):借助其偶極結(jié)構(gòu)同有機(jī)物的不飽和鍵發(fā)生加成反應(yīng),形成臭氧化中間產(chǎn)物,并進(jìn)一步分解。
R1C=CR2+O3 → R1GCOOH+R2C=O       G代表-OH、-OCH3、-OCOCH3
(2)親電反應(yīng)
(3)親核反應(yīng)
 
臭氧分子的共振三角形結(jié)構(gòu)表明,它可以作為偶極試劑、親電試劑和親核試劑,與有機(jī)物形成三類反應(yīng)。
2)間接反應(yīng)機(jī)理—臭氧分解形成自由基與有機(jī)物的反應(yīng)
溶解性臭氧分解形成羥基自由基,HO·通過(guò)不同的反應(yīng)使溶解態(tài)無(wú)機(jī)物和有機(jī)物氧化。
鏈引發(fā)-傳遞-終止
(1)溶解性臭氧的分解機(jī)理
  HSB (Hoigne, Staehelin和Bader) 機(jī)理
  GTF (Gorkon, Tomiyasn和Futomi) 機(jī)理
(2)HO·與溶解態(tài)化合物間的反應(yīng)
電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)——從其它物質(zhì)上抽取電子, 自身還原為OH-
抽氫反應(yīng) ——從有機(jī)物的不同取代基上抽取H使有機(jī)物變?yōu)橛袡C(jī)物自由基, 自身則轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O;
OH·加成反應(yīng) — OH·加成到烯烴或芳香碳?xì)浠衔镫p鍵上.
臭氧脫色的機(jī)理是臭氧及其產(chǎn)生的活潑自由基OH·使染料發(fā)色基團(tuán)中的不飽和鍵(芳香基或共軛雙鍵)斷裂生成小分子量的酸和醛,生成了低分子量的有機(jī)物,從而導(dǎo)致水體色度顯著降低。臭氧對(duì)親水性染料的脫色速度快,效果好;對(duì)疏水性染料的脫色速度慢,效果差,且需臭氧量大。臭氧可氧化鐵、錳等無(wú)機(jī)有色離子為難溶物臭氧的微絮凝效應(yīng)還有助于有機(jī)膠體和顆粒物的混凝,并通過(guò)過(guò)濾去除致色物。
2.臭氧氧化性能的影響因素--溶液pH
pH的變化將改變臭氧氧化反應(yīng)的作用機(jī)理和去除效果
1)臭氧本身的氧化能力與pH 值有關(guān)
臭氧在水中的分解速度隨著pH 值的提高而加快 ,在pH<4時(shí),臭氧在水溶液中的分解可以忽略不計(jì),其反應(yīng)主要時(shí)溶解臭氧分子同被處理水溶液中還原性物質(zhì)的直接反應(yīng);在pH>4時(shí),臭氧的分解便不可忽略,在pH更高時(shí),則臭氧主要是在OH的催化作用下,經(jīng)一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分解成具有高反應(yīng)活性的自由基而對(duì)還原性物質(zhì)進(jìn)行非選擇性氧化降解。 如果pH值提高一個(gè)單位臭氧分解大約快3倍。
2)污水中有機(jī)物或無(wú)機(jī)物的物理化學(xué)性質(zhì)與pH值有密切關(guān)系
3)臭氧吸收率與pH值有一定關(guān)系
pH 值在整個(gè)臭氧氧化過(guò)程中的變化,主要是在中性或堿性條件下pH值會(huì)隨著氧化過(guò)程而呈下降趨勢(shì),其原因是有機(jī)物氧化成小分子有機(jī)酸或醛之類物質(zhì)。堿性條件下的污染物去除率高于酸性條件
3.臭氧氧化性能的影響因素--溶液溫度
提高反應(yīng)溶液溫度將使反應(yīng)的活化能降低,有利于提高化學(xué)反應(yīng)速率。但是,隨溫度的升高,臭氧其分解將加速,溶解度降低,從而降低了液相中臭氧的濃度,減緩化學(xué)反應(yīng)速度。同時(shí),由于臭氧氧化有機(jī)物的反應(yīng)是一個(gè)連串反應(yīng),在降解有機(jī)物的同時(shí)也要對(duì)其氧化中間產(chǎn)物進(jìn)行深度氧化,消耗液相中的臭氧,減緩目標(biāo)有機(jī)物的降解速率。為與工業(yè)實(shí)際廢水相接近,實(shí)驗(yàn)選擇溫度范圍為3~30度。
4.臭氧氧化性能的影響因素--催化劑
堿催化臭氧氧化:如O3/H2O2,它們是通過(guò)OH-來(lái)催化產(chǎn)生·OH而對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解;光催化臭氧氧化:如O3/UV、O3/H2O2/UV;多相催化臭氧氧化:如O3/固體催化劑(如活性炭、金屬及其氧化物)。
5.臭氧技術(shù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題
低濃度臭氧處理有機(jī)物時(shí)不能將其完全氧化為二氧化碳和水,而是生成一系列中間產(chǎn)物,如醛、羧酸等;臭氧溶解度低,限制了臭氧在水處理中的應(yīng)用。臭氧生產(chǎn)中對(duì)進(jìn)入發(fā)生器的空氣質(zhì)量要求高,且臭氧有腐蝕性,要求設(shè)備和管路使用耐腐蝕材料或作防腐處理;臭氧極不穩(wěn)定 重量濃度為1%以下的臭氧在常溫(常壓)的空氣中的半衰期為16小時(shí),水中臭氧濃度為3 mg/L時(shí),半衰期僅30分鐘左右。
實(shí)驗(yàn)原理思考題:
1.廢水經(jīng)臭氧反應(yīng)后,CODcr是否會(huì)升高,為什么?
答:可能會(huì)升高。
1)臭氧的作用有分解大分子基團(tuán),把一些原本無(wú)法檢測(cè)的物質(zhì)變成顯性的。所以如果在作用的初期即臭氧投加量較小的時(shí)候,或是臭氧在臭氧接觸池內(nèi)傳質(zhì)效率低,或是停留時(shí)間不足,都有可能影響到COD的降解效果,使得原來(lái)比較穩(wěn)定難降解大分子物質(zhì)(不顯COD)變成易降解的小分子物質(zhì)(顯COD)。這樣就會(huì)出現(xiàn)CODcr升高的情況。
2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備引起,如:乳膠管插在水中就可被氧化使的CODcr升高。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1.O3濃度的測(cè)定:
用量筒取250ml 的2%的KI溶液加入氣體吸收瓶,然后通入O3 90s,取100ml反應(yīng)液于錐形瓶中,用醋酸酸化至pH=4,用0.005mol/L的Na2S2O3滴至淡黃色,加入1%淀粉溶液,繼續(xù)滴定至無(wú)色,記錄滴定消耗Na2S2O3的體積。
2.臭氧脫色效率的測(cè)定:
(1)取兩個(gè)氣體吸收瓶,分別裝入250ml直接藍(lán)溶液和2%的KI溶液,用膠管連接通O3 45s。
(2)取分散藍(lán)溶液反應(yīng)液在最大吸收波長(zhǎng)580nm下測(cè)吸光度,計(jì)算O3的溢出量,求O3的脫色效率和吸收率。
(3) 取反應(yīng)后KI溶液100ml于錐形瓶中,用醋酸酸化至pH=4,用0.005mol/L的Na2S2O3滴至淡黃色,加入1%淀粉溶液,繼續(xù)滴定至無(wú)色,記錄滴定消耗Na2S2O3的體積。
(4)調(diào)解原水的pH為3和10,重復(fù)(1)(2)(3)。
測(cè)定臭氧在水中的濃度,采用碘量法
臭氧先用KI溶液吸收,生成I2用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定
O3+2KI+H2O===O2+I2+2KOH
I2+2Na2S2O3===Na2S4O6+2NaI
測(cè)定方法:
1、臭氧吸收:取250mL 2%KI溶液于吸收瓶中,通入臭氧化氣1.5min。
2、取吸收臭氧的KI溶液(2%)溶液100ml于錐形瓶中,用冰醋酸酸化調(diào)pH=4用0.005mol/LNa2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至淡黃色時(shí),再加入1%淀粉指示劑,此時(shí)溶液為藍(lán)色,再迅速滴定至藍(lán)色消失為終點(diǎn)。
注意:對(duì)于不同pH值得有色溶液,要注意溶液臭氧吸收量與脫色率之間的聯(lián)系。
五、實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)
1.通入O390s后的 2%的KI溶液用0.005mol/L的Na2S2O3溶液滴定,消耗Na2S2O3溶液體積=56.5mL
2.不同pH的原水吸收臭氧后用0.005mol/L的Na2S2O3溶液滴定。

水樣 滴定消耗Na2S2O3(mL) 吸光度Abs
原水   0.538
pH=3 24.7 0.353
pH=7 24.6 0.297
pH=10 20.5 0.455

六、數(shù)據(jù)處理及結(jié)論


七、思考題
為加強(qiáng)某染色廢水的處理效果,有人想將臭氧氧化和活性碳吸附聯(lián)用,他的想法可行嗎?為什么?
答:可行。
單純臭氧對(duì)高穩(wěn)定性有機(jī)污染物的氧化能力有限。由于在富氧的條件下活性炭表面形成了生物膜,水中的有機(jī)物容易在生物膜上分解,此時(shí)活性碳變成了生物活性碳,對(duì)有機(jī)物產(chǎn)生吸附和生物分解的雙重作用,使活性碳的吸附能力得到增強(qiáng)。所以臭氧氧化與活性碳吸附聯(lián)用系統(tǒng)可以提高對(duì)水中有機(jī)污染物的去除效果,提高有機(jī)物的可生化性,延長(zhǎng)活性碳的使用周期,對(duì)染色廢水的色度去除率有較大提高。


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