紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置及處理方法
【專利摘要】紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置及處理方法，涉及水處理。所述處理裝置設(shè)有反應(yīng)容器、磁力攪拌器、全石英玻璃光源保護(hù)冷阱、紫外燈；所述反應(yīng)容器的上部設(shè)有進(jìn)樣口，反應(yīng)容器的下部設(shè)有取樣口，磁力攪拌器設(shè)于反應(yīng)容器的底部，全石英玻璃光源保護(hù)冷阱設(shè)于反應(yīng)容器中，紫外燈設(shè)于全石英玻璃光源保護(hù)冷阱中，全石英玻璃光源保護(hù)冷阱的上部分別設(shè)有冷卻水進(jìn)水口和冷卻水出水口，紫外燈的電源引線接電源。在反應(yīng)容器中加入三氯生水溶液，先開啟循環(huán)冷卻水，然后啟動磁力攪拌器，并開啟紫外燈，同時加入二氧化氯，在紫外燈輻照以及二氧化氯產(chǎn)生的活性氯經(jīng)紫外照射產(chǎn)生的羥基自由基協(xié)同二氧化氯的氧化性，從而除去水中的三氯生，完成水處理。
【專利說明】紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置及處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水處理，尤其是涉及一種紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置及處理方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展，水體中有機(jī)污染物引起了人們對水質(zhì)安全性的關(guān)注。水體中的微量有機(jī)污染物按其來源主要包括農(nóng)藥(如除草劑、殺蟲劑等)、藥品及個人護(hù)理品(PPCPs)、工農(nóng)業(yè)原料和產(chǎn)品及排放的廢棄物、化學(xué)物品和塑料制品、自然形成的化學(xué)物質(zhì)(如水中嗅味物質(zhì)等)、非故意生產(chǎn)副產(chǎn)物(如消毒副產(chǎn)物)等。盡管水中微量有機(jī)污染物的濃度很低，但由于常規(guī)的水處理工藝無法對其有效去除，微量有機(jī)污染物被持續(xù)地排入河流、湖泊等地表水中，最終進(jìn)入飲用水源。微量有機(jī)污染物危害較大的是抗生素類物質(zhì)和具有內(nèi)分泌干擾作用的環(huán)境激素類物質(zhì)，這些物質(zhì)可以使微生物產(chǎn)生耐藥性，影響人和動物的生殖發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)功能，以及產(chǎn)生致癌作用。水處理工藝中常采用氯消毒以增加水質(zhì)的安全性。20世紀(jì)70年代后，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的氯消毒會產(chǎn)生致畸、致癌、致突變的鹵代烷等副產(chǎn)物，而UV消毒法則具有不投加化學(xué)藥劑、不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物、不增加水的嗅和味、消毒速度快、效率高、設(shè)備操作簡單、便于運(yùn)行管理和實現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)消毒的缺點(diǎn)，近年來逐漸得到廣泛應(yīng)用，但其不能持續(xù)消毒，而且由于其穿透能力很差，通常只能對樣品表面進(jìn)行消毒滅菌。
[0003]二氧化氯是一種水溶性強(qiáng)氧化劑,不是氯化劑,其氧化能力是氯氣的2.6倍，其在水中的擴(kuò)散速度更快，在較短濃度下可以更快速地有效殺滅有機(jī)物。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供可對水體中的微量有機(jī)污染物進(jìn)行有效去除，從而達(dá)到提高飲用水水質(zhì)目的的紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置及處理方法。
[0005]所述紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置設(shè)有反應(yīng)容器、磁力攪拌器、全石英玻璃光源保護(hù)冷阱、紫外燈；所述反應(yīng)容器的上部設(shè)有進(jìn)樣口，反應(yīng)容器的下部設(shè)有取樣口，磁力攪拌器設(shè)于反應(yīng)容器的底部，全石英玻璃光源保護(hù)冷阱設(shè)于反應(yīng)容器中，紫外燈設(shè)于全石英玻璃光源保護(hù)冷阱中，全石英玻璃光源保護(hù)冷阱的上部分別設(shè)有冷卻水進(jìn)水口和冷卻水出水口，紫外燈的電源引線接電源。
[0006]所述磁力攪拌器可采用平板式磁力攪拌器。
[0007]所述紫外燈的功率可調(diào)，紫外燈功率可采用20W，主波長為254nm，可用循環(huán)冷卻水保持反應(yīng)時穩(wěn)定溫度。
[0008]所述紫外協(xié)同二氧化氯用于水處理的方法，采用所述紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置，具體步驟如下:
[0009]在反應(yīng)容器中加入三氯生(Triclosan，TCS)水溶液，先開啟循環(huán)冷卻水，然后啟動磁力攪拌器，并開啟紫外燈，同時加入二氧化氯，在紫外燈輻照以及二氧化氯產(chǎn)生的活性氯經(jīng)紫外照射產(chǎn)生的羥基自由基協(xié)同二氧化氯的氧化性，從而除去水中的三氯生(TCS)，完成水處理。
[0010]本發(fā)明采用紫外與二氧化氯聯(lián)合工藝，除了紫外對目標(biāo)物質(zhì)具有一定的去除作用外，溶液中ClO2可以生成活性氯Cl2和HC10，活性氯Cl2和HClO經(jīng)UV輻照可以生成.0H，從而加快反應(yīng)的進(jìn)行，并且還有二氧化氯的氧化性對目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行去除。另外，紫外與二氧化氯聯(lián)用工藝對目標(biāo)污染物的降解程度較高。UV/C102工藝中ClO2在水中發(fā)生以下反應(yīng):
[0011]C102 —Cl2+02 (I)
[0012]C12+H20 — HC10+HC1 (2)
[0013]2HC10 — C12+H20 (3)
[0014]本發(fā)明提出的紫外協(xié)同二氧化氯的水處理方法，其技術(shù)方案的特點(diǎn)是利用紫外輻照以及二氧化氯產(chǎn)生的活性氯經(jīng)紫外照射產(chǎn)生的羥基自由基(.0H)協(xié)同二氧化氯的氧化性，對水中有機(jī)物進(jìn)行去除。
[0015]本發(fā)明可以解決現(xiàn)有凈水技術(shù)對無法有效去除水體中微量有機(jī)污染物的問題，具有工藝簡單、時間短、對環(huán)境要求較低等優(yōu)點(diǎn)，并可以減少副產(chǎn)物的生成。
[0016]本發(fā)明可適用于市政給排水和環(huán)境工程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實施例的組成示意圖。
[0018]圖2為UV、C10jPUV/C102去除TCS效果的比較。圖中標(biāo)記▲為UV，.為ClO2, 為 UV+C102o
[0019]圖3為初始pH對TCS去除效率的影響。圖中標(biāo)記為pH = 6，.為pH = 7，▲為pH = 8, ▼為 pH = 9。
[0020]圖4為(:102投加量對TCS去除效率的影響。圖中標(biāo)記為0.50mg/L，.為0.75mg/L, ▲為 1.00mg/L, ▼為 1.25mg/L, 4 為 1.50mg/L。
[0021]圖5為不同TCS初始濃度對TCS的去除效率的影響。圖中標(biāo)記為100 μ g/L，.為 200 μ g/L, ▲為 300 μ g/L, ▼為 400 μ g/L, 為 500 μ g/L O
[0022]圖6為腐殖酸對TCS的去除效率的影響。圖中標(biāo)記為lmg/lHA，?為3mg/lHA，▲為 5mg/lHA, ▼為 7mg/lHA。
[0023]圖7為單獨(dú)ClO2和腐殖酸/ClOj^TCS去除效率的影響。圖中標(biāo)記為lmg/lHA+0.5mg/lC102, ?為 0.5mg/lC102, ▲為 9mg/lHA+0.5mg/lC102。

【具體實施方式】
[0024]以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0025]參見圖1，所述紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置實施例設(shè)有反應(yīng)容器1、磁力攪拌器2、全石英玻璃光源保護(hù)冷阱3、紫外燈4;所述反應(yīng)容器I的上部設(shè)有進(jìn)樣口 5，反應(yīng)容器I的下部設(shè)有取樣口 6，磁力攪拌器2設(shè)于反應(yīng)容器I的底部，全石英玻璃光源保護(hù)冷阱3設(shè)于反應(yīng)容器I中，紫外燈4設(shè)于全石英玻璃光源保護(hù)冷阱3中，全石英玻璃光源保護(hù)冷阱3的上部分別設(shè)有冷卻水進(jìn)水口 7和冷卻水出水口 8，紫外燈4的電源引線接電源。
[0026]所述磁力攪拌器2可采用平板式磁力攪拌器。
[0027]所述紫外燈的功率可調(diào)，本發(fā)明選用紫外燈功率為20W，主波長為254nm，可用循環(huán)冷卻水保持反應(yīng)時穩(wěn)定溫度。
[0028]所述紫外協(xié)同二氧化氯用于水處理的方法，采用所述紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置，具體步驟如下:
[0029]在反應(yīng)容器中加入三氯生(Triclosan，TCS)水溶液，先開啟循環(huán)冷卻水，然后啟動磁力攪拌器，并開啟紫外燈，同時加入二氧化氯，在紫外燈輻照以及二氧化氯產(chǎn)生的活性氯經(jīng)紫外照射產(chǎn)生的羥基自由基協(xié)同二氧化氯的氧化性，從而除去水中的三氯生(TCS)，完成水處理。
[0030]以下給出運(yùn)行條件優(yōu)化及影響因素:
[0031]I —、(:102和—/(:102去除TCS效果的比較
[0032]在光強(qiáng)為6.5 μ W/cm2、ClO2濃度為0.5mg/L、TCS濃度為300 μ g/L的條件下，考察了 UV、ClO2和UV/C102聯(lián)用三種工藝對TCS的去除，見圖2。
[0033]由圖2可知，單獨(dú)UV無法對TCS快速去除，Imin只能達(dá)到5%左右，60min才能達(dá)到91.33% ;單獨(dú)ClO2對TCS可以很好的去除，Imin就達(dá)到84.93% ;而UV/C102對TCS的降解作用最好，反應(yīng)Imin就能達(dá)到99.13%。在Imin內(nèi)UV/C102去除大于UV和ClO2去除之和，UV/C102工藝對TCS的去除具有協(xié)同作用。
[0034]UV對TCS的去除主要是UV照射產(chǎn)生的羥基自由基(.0Η)參與反應(yīng)。ClO2對TCS的去除主要是ClO2的氧化去除。UV/C102工藝中ClO2在水中發(fā)生以下反應(yīng):
[0035]ClO2 — Cl2+02 (I)
[0036] C12+H20 — HC10+HC1 (2)
[0037]2HC10 — C12+H20 (3)
[0038]由式(I)~⑶可以看出，溶液中ClO2可以生成活性氯Cl2和!1(:10，活性氯Cl2和HClO經(jīng)UV輻照可以生成.0H[1’2]。因而，UV/C102體系中不僅有UV輻照作用，還有ClO2的直接氧化，此外還有ClO2產(chǎn)生的活性氯經(jīng)UV照射產(chǎn)生的.0Η氧化作用，三者的共同作用增加了溶液中的.0H濃度，促進(jìn)了 TCS的去除，加快了反應(yīng)的進(jìn)行，所以UV/C102工藝具有協(xié)同作用，可以更好地去除有機(jī)物。
[0039]2初始pH對TCS去除效率的影響
[0040]在光強(qiáng)為6.5 μ W/cm2、ClO2濃度為0.5mg/L、TCS濃度為400 μ g/L的條件下，用硫酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)PH值，考察pH對TCS的去除的影響，結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯芤旱某跏紁H對TCS的降解影響不大，在pH = 6、7、8和9時，Imin去除率分別達(dá)99.4%,99.43%,99.48%和99.63%。研究表明TCS在堿性環(huán)境下更容易降解。
[0041]原因一可能是當(dāng)溶液是弱堿時TCS有一部分以分子形式存在(TCS的pKa = 7.9)
[3]，隨著酸性的增強(qiáng)，以分子形式存在的TCS就越多，分子形式不易降解；而在堿性環(huán)境中，TCS是以負(fù)離子形式存在的[4'5]，更容易降解；原因二可能是在堿性條件下反應(yīng)中的ClO2易發(fā)生歧化反應(yīng)或被.0H消耗，ClO2不穩(wěn)定，氧化性會有所降低，但在堿性條件下UV照射更容易產(chǎn)生.0H，而且氫氧根離子(0H_)是.0H的前驅(qū)體[6]，而在酸性條件下反應(yīng)中的ClO2與UV產(chǎn)生的.0H并不反應(yīng)或反應(yīng)很少，ClO2比較穩(wěn)定，可以表現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化性，所以溶液由酸到堿對TCS的去除效率會由快逐漸變慢。
[0042]3 ClO2投加量對TCS去除效率的影響
[0043]在光強(qiáng)為6.5 μ W/cm2、TCS濃度為400 μ g/L的條件下，考察了 ClO2投加量對TCS去除的影響。結(jié)果見圖4。
[0044]由圖4可知，TCS的去除效率隨著ClO2投加量的增加而增大，ClO2的投加量分別為 0.50,0.75、1.00、1.25 和 1.50mg/L 時，Imin 后 TCS 的去除分別達(dá)到 98.1 %,98.72%,99.35%,99.62%和99.89%。這可能是因為在UV照射下，隨著ClO2濃度的增加，生成更多促進(jìn).0H產(chǎn)生的物質(zhì)，從而產(chǎn)生更多.0H促進(jìn)TCS的去除；而提高ClO2濃度能增加強(qiáng)氧化性自由基濃度[7];另一原因是隨著反應(yīng)的進(jìn)行ClO2及.0H逐漸消耗，導(dǎo)致反應(yīng)液中ClO2和.0Η的濃度逐漸降低，使其氧化能力也逐漸降低；而且反應(yīng)中TCS濃度一定，隨著ClO2濃度的增加，在很短時間內(nèi)TCS被迅速反應(yīng)。
[0045]4不同TCS初始濃度對TCS的去除效率的影響
[0046]在光強(qiáng)為6.5 μ ff/cm2, ClO2濃度為0.5mg/L的條件下，考察TCS初始濃度對其去除的影響。結(jié)果見圖5。
[0047]由圖5可知，TCS初始濃度為100、200和300 μ g/L時，反應(yīng)16s時TCS去除率達(dá)到96.16%,95.59%和95.35，而TCS濃度達(dá)到400 μ g/L時，則在反應(yīng)30s時才能達(dá)到相同的去除率，較高濃度的TCS需要更長時間才能達(dá)到相同的去除率。這可能是因為溶液中TCS濃度高時，反應(yīng)生成的中間產(chǎn)物，并且消耗掉一定量的.0H和ClO2，影響了 TCS的去除。另一部分原因是UV照射時間及ClO2投加量不變時，TCS的初始濃度增加，單位TCS所受到的ClO2及.0H的幾率降低，因此TCS的去除效率明顯降低。
[0048]5腐殖酸對TCS的去除效率的影響以及單獨(dú)ClO2和腐殖酸/ClO2對TCS去除效率的影響
[0049]腐殖酸(HA)是廣泛存在于水體的最重要的天然吸光物質(zhì)之一，光化學(xué)性質(zhì)較為活潑，吸收光子后會引發(fā)一系列的自由及反應(yīng)，產(chǎn)生活性氧自由基，從而影響共存體系中有機(jī)污染物等物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。在光強(qiáng)為6.5 μ ff/cm2, ClO2濃度為0.5mg/L、TCS濃度為400 μ g/L的條件下，向標(biāo)準(zhǔn)溶液中投加腐殖酸，考察了腐殖酸對TCS去除效率的影響，結(jié)果見圖6，單獨(dú)ClO2和腐殖酸/ClO2對TCS去除效率對比見圖7。
[0050]由圖6可知，當(dāng)腐殖酸在溶液中含量分別為1、3、5和7mg/L時，Imin去除率分別為99.72%、99.6%、99.4%和99.22%。而且對于不同濃度的腐殖酸如lmg/L時在8s的去除率可達(dá)99.41%，而在3和5mg/L時達(dá)到相同的去除率則分別需要16和60s。由圖7可知，低濃度的腐殖酸對TCS的去除有促進(jìn)作用；高濃度的腐殖酸會和TCS產(chǎn)生競爭，從而影響TCS的去除效率。雖然紫外照射下腐殖酸可以增加.0H產(chǎn)生[8]，這將促進(jìn)降解反應(yīng)的進(jìn)行，但腐殖酸會增加水中的色度影響光透率，從而抑制反應(yīng)的進(jìn)行，并且抑制作用可能占主導(dǎo)地位，腐殖酸的本身降解也會消耗一部分.0H。
[0051]紫外與二氧化氯聯(lián)用工藝可以有效去除水中的TCS，試驗條件內(nèi)TCS的去除隨pH增大而提高；C102投加量的增加促進(jìn)TCS的去除；TCS的去除隨著TCS初始濃度的增大而降低；低濃度的腐殖酸有利于TCS的去除，高濃度的腐殖酸則反之。
[0052]試驗表明:紫外與二氧化氯聯(lián)用具有協(xié)同作用，對TCS有很好的去除效果。
[0053]參考文獻(xiàn):
[0054][1] Wang Ding, Bolton James R, Hofmann Ron.Medium pressure UV combinedwith chlorine advanced oxidat1n for trichloroethyIene destruct1n in a modelwater[J].Water Research, 2012，46 (15):4677-4686.
[0055][2] Chan P Y，Gamal El-Din M，Bolton J R.A solar-driven UV/Chlorineadvanced oxidat1n process[J].Water Research, 2012, 46(17):5672-5682.
[0056][3] Gao Yj Ji Y，Li G，et al.Mechanism, kinetics and toxicity assessmentof 0H-1nitiated transformat1n of triclosan in aquatic environments[J].Waterresearch,2014，49:360-370.
[0057][4] Lores M，Llompart Mj Sanchez-Prado L，et al.Confirmat1n of theformat1n of dichlorodibenzo-p-d1xin in the photodegradat1n of triclosan byphoto-SPME[J].Analytical and b1analytical chemistry, 2005, 381 (6):1294-1298.
[0058][5] Ren Y Z，F(xiàn)ranke Mj Anschuetz F，et al.Sonoelectrochemical degradat1nof triclosan in water[J].Ultrasonics sonochemistry，2014，21:2020-2025.
[0059][6] Jin-hui Zha0.Research on UV/Ti02 Photocatalytic Oxidat1n ofOrganic Matter in Drinking Water and Its Influencing Factors[J].ProcediaEnvironmental Sciences，2012， 12:445-452.
[0060][7]趙德明，張譚，張建庭，等.微波輔助二氧化氯氧化降解苯酚[J].化工學(xué)報，2011，62(7):2020-2025.
[0061][8] Martinez-Zapata Marian,Aristizabal Carolina, Pcnucla Gustav0.Photodegradat1n of the endocrine-disrupting chemicals 4n_nonylphenoI andtriclosan by simulated solar UV irradiat1n in aqueous solut1ns with Fe (III)and in the absence/presence of humic acids[J].Journal of Photochemistry andPhotob1logy A:Chemistry, 2013，251:41-49.
【權(quán)利要求】
1.紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置，其特征在于設(shè)有反應(yīng)容器、磁力攪拌器、全石英玻璃光源保護(hù)冷阱、紫外燈；所述反應(yīng)容器的上部設(shè)有進(jìn)樣口，反應(yīng)容器的下部設(shè)有取樣口，磁力攪拌器設(shè)于反應(yīng)容器的底部，全石英玻璃光源保護(hù)冷阱設(shè)于反應(yīng)容器中，紫外燈設(shè)于全石英玻璃光源保護(hù)冷阱中，全石英玻璃光源保護(hù)冷阱的上部分別設(shè)有冷卻水進(jìn)水口和冷卻水出水口，紫外燈的電源引線接電源。
2.如權(quán)利要求1所述紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置，其特征在于所述磁力攪拌器為平板式磁力攪拌器。
3.如權(quán)利要求1所述紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置，其特征在于所述紫外燈的功率可調(diào)，紫外燈功率為20W，主波長為254nm。
4.紫外協(xié)同二氧化氯用于水處理的方法，其特征在于采用如權(quán)利要求1所述紫外線協(xié)同二氧化氯水處理裝置，具體步驟如下: 在反應(yīng)容器中加入三氯生水溶液，先開啟循環(huán)冷卻水，然后啟動磁力攪拌器，并開啟紫外燈，同時加入二氧化氯，在紫外燈輻照以及二氧化氯產(chǎn)生的活性氯經(jīng)紫外照射產(chǎn)生的羥基自由基協(xié)同二氧化氯的氧化性，從而除去水中的三氯生，完成水處理。
【文檔編號】C02F1/76GK104163467SQ201410400497
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】李青松, 何文龍, 金偉偉, 李玉瑛, 李國新, 陳國元, 馬曉雁 申請人:廈門理工學(xué)院