低温等离子体高效净化含PAM废水工艺研究

第４８卷第３期化工新型材料Vol．４８No．３２０２０年３月NEWCHEMICALMATERIALS低温等离子体高效净化含PAM废水工艺研究荣俊锋　李龙洋　何　媛　张　晔　李伏虎　史同上(安徽理工大学化学工程学院,淮南２３２００１)摘　要　采用低温等离子体技术处理含聚丙烯酰胺(PAM)废水,研究了放电电压、放电时间、溶液pH对不同浓度PAM溶液化学需氧量(COD)降解率的影响规律,同时还研究了不放电条件下PAM溶液pH以及放电条件下放电时间对不同浓度PAM溶液黏度去除率的影响,考察了放电条件下pH对质量浓度１􀆰０g/LPAM溶液黏度去除率的影响规律.通过正交试验确定影响PAM溶液COD降解率的主次顺序为:放电时间＞放电电压＞溶液浓度＞溶液pH.在放电时间５h、放电电压４０kV、PAM溶液质量浓度１􀆰０g/L、pH＝１􀆰５时,COD降解率最佳,可达８５􀆰７４％.关键词　低温等离子体,放电电压,聚丙烯酰胺,COD降解率,黏度去除率StudyonefficientpurificationofPAMwastewaterbynonＧthermalplasmaRongJunfeng　LiLongyang　HeYuan　ZhangYe　LiFuhu　ShiTongshang(SchoolofChemicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan２３２００１)Abstract　NonＧthermalplasmawasappliedtotreatpolyacrylamide(PAM)wastewater．TheinfluenceruleofPAMwastewaterinitialpHvalue,solutionconcentrationanddischargetime,dischargevoltageonCODdegradationratewasinvestigated．Atthesametime,theeffectofpHvalueanddischargetimeofPAMsolutionontheviscosityremovalrateofPAMsolutionwasalsostudied．Then,theeffectofpHvalueontheviscosityremovalrateof１􀆰０g/LPAMsolutionwasstudiedseparately．Throughorthogonaltest,thefactorsaffectingtheCODdegradationrateofPAMwastewaterweredeterminedasfollows:dischargetime＞dischargevoltage＞solutionconcentration＞wastewaterinitialpHvalue．TheCODhighestremovalrateofPAMwastewaterreached８５􀆰７４％,whentheoptimalconditionswereasfollows:dischargevoltage４０kV,dischargetime５h,solutionconcentration１􀆰０g/L,pH１􀆰５．Keywords　nonＧthermalplasma,dischargevoltage,polyacrylamide,CODdegradationrate,viscosityremovalrate基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(２０１９１０３６１０７９);安徽理工大学青年基金资助项目(１２６６１)作者简介:荣俊锋(１９８７Ｇ),男,硕士,实验师,从事等离子体废水处理研究工作.　　油田开发过程中聚合物驱三次采油技术虽然大幅度提高了石油采收率,但也产生了大量含聚丙烯酰胺(PAM)的废水.PAM废水乳化程度高、黏度大、环境危害严重,是近年来水处理的一个难点[１Ｇ４].传统处理方法主要有物理法、化学法和生物法.物理法通过吸附、萃取、膜分离等物理作用去除废水中的PAM,但该方法只是将污染物进行转移,很难破坏PAM的内部结构,不能根除污染物;化学法通过使用大量化学试剂与PAM进行化学分解反应从而实现污水净化,该方法使用的化学试剂成本较高,且化学试剂本身具有一定的毒性,易造成二次污染;生物法是利用水中微生物的代谢作用将PAM分解成小分子物质,但微生物对水体的环境要求较高,易受水体酸碱度及温度等影响[５Ｇ６].为解决PAM废水难题,亟需开发一种新型、高效、经济的水处理技术,而高级氧化技术中的新兴技术———等离子体技术就能实现这个目标.低温等离子体技术以电能作为外界能量输入,通过放电形式产生低温等离子体.该技术集高能电子辐射、臭氧氧化、光化学催化氧化的优点于一体,同时污水处理效率高、与环境兼容性好[７Ｇ１２].本研究采用低温等离子体氧化法处理含PAM废水,以期为PAM废水净化提供理论依据和新的研究思路.１　实验部分１􀆰１　试剂与仪器模拟PAM废水、硫酸银、硫酸汞、浓硫酸、七水合硫酸亚铁、氢氧化钠、盐酸、邻苯二甲酸氢钾,均为分析纯;重铬酸钾、硫酸亚铁铵、邻菲罗啉,均为分析纯.􀅰９６２􀅰化工新型材料第４８卷接触调压器(TDGC２型),浙江正泰电子股份有限公司;集成式数显仪表(DD８６２型),浙江正泰电子股份有限公司;等离子体电源(CTPＧ２０００K型),南京苏曼等离子科技有限公司;数显集热式磁力搅拌器(DFＧⅡ型),金城国胜实验仪器有限公司;高压探头(P６０１５A型),美国泰克公司;数字式示波器(TDS２０１４型),美国泰克公司;电子天平(PTFＧA型),福州普力斯特科学仪器有限公司;标准COD消解器(HCAＧ１００型),江苏泰普特电气仪表有限公司;空气压缩机(DZＧ３０３０B型),亿卡迪机电有限公司;旋转粘度计(NDJＧ９S型),上海平轩科学仪器厂;针板式等离子体水处理反应器,自制.１􀆰２　实验步骤实验装置主要由等离子体电源和等离子体水处理反应器组成.将反应器置于磁力搅拌器上,用厚度１０mm的石英玻璃板将两者隔开,防止系统漏电.将２００mL模拟PAM废水加入等离子体水处理反应器,接通高压电源,打开回流装置,调节接触调压器,进行放电实验.在正负极之间,绝缘有机玻璃和PAM废水充当放电介质,形成介质阻挡放电,产生具有高能活性的低温等离子体降解废水中的PAM.在放电电压、放电时间、PAM废水浓度、pH不同反应条件下取样,采用重铬酸钾法(HJ８２８—２０１７)测定溶液COD值,计算COD降解率[５Ｇ６].采用旋转黏度计测定黏度值,计算黏度去除率.COD降解率及黏度(η)去除率计算方法如下:COD降解率＝COD０－CODCOD０×１００％(１)η去除率＝η０－ηη０×１００％(２)　　式中,COD０为PAM废水溶液初始COD值,mg/L;COD为处理后PAM废水溶液COD值,mg/L;η０为PAM废水溶液原始黏度,mPa􀅰S;η为处理后PAM废水溶液黏度,mPa􀅰S.２　结果与讨论２􀆰１　放电电压对PAM溶液COD降解率的影响调整放电间距[１３Ｇ１６]为５mm(以反应器中液体表面为０平面,液面以上为正值,液面以下为负值,液面高度３５mm),在放电电压、放电时间不同条件下对质量浓度０􀆰５g/L、１􀆰０g/L、２􀆰０g/L的PAM溶液进行放电处理,考察放电电压对不同浓度PAM溶液COD降解率的影响,结果见图１—３.由图１—３可以看出:放电电压不同条件下,当放电时间为１~３h时,COD降解率增加较快,之后逐渐变慢;放电时间超过５h后,COD降解率趋于平缓.原因是在稳定的放电条件下,PAM溶液的浓度下降导致COD降解速率变慢.不同浓度的PAM溶液,其COD降解率随放电电压的增大,变化趋势大体相同,放电电压为４０kV时,PAM溶液的COD降解效果较好.从图１—３的对比也可以看出,质量浓度为１􀆰０g/L的PAM溶液,其COD降解率高于质量浓度为０􀆰５g/L和２􀆰０g/L的PAM溶液.图１　放电电压对质量浓度０􀆰５g/LPAM溶液COD降解率的影响图２　放电电压对质量浓度１􀆰０g/LPAM溶液COD降解率的影响图３　放电电压对质量浓度２􀆰０g/LPAM溶液COD降解率的影响２􀆰２　放电时间对PAM溶液COD降解率的影响在放电电压４０kV、放电间距５mm、放电时间不同条件下,对质量浓度为０􀆰５g/L、１􀆰０g/L、２􀆰０g/L的PAM溶液进行放电处理,考察放电时间对不同浓度PAM溶液COD降解率的影响,结果见图４.由图可见,随着放电时间的延长,PAM溶液COD降解率也逐渐提高.放电时间为１~３h时,PAM溶液COD降解率提高较快;放电时间超过５h之后􀅰０７２􀅰第３期荣俊锋等:低温等离子体高效净化含PAM废水工艺研究溶液COD降解率开始趋于平缓.这是因为在稳定的放电条件下,随着放电时间的延长,溶液中PAM慢慢被消耗,导致溶液中PAM浓度不断降低,降解速率变慢.综合考虑经济效益和时间成本,确定放电时间为５h,PAM溶液质量浓度为１􀆰０g/L.图４　放电时间对不同浓度PAM溶液COD降解率的影响２􀆰３　pH对PAM溶液COD降解率的影响取质量浓度０􀆰５g/L、１􀆰０g/L、２􀆰０g/L的PAM溶液各２００mL,用氢氧化钠或盐酸溶液调整PAM溶液pH.保持放电电压、放电间距不变,在pH不同条件下,对PAM溶液进行放电处理(放电时间为１h、２h、３h、４h、５h、６h),考察pH对不同浓度PAM溶液COD降解率的影响,结果见图５—７.由图５—７可知:随着放电时间的延长,PAM溶液的COD降解率逐渐升高,但放电时间超过５h后COD降解率趋于平缓;pH＝３~５时,放电时间为１~２h的PAM溶液COD降解率明显下降.原因是酸性条件下,PAM溶液中的大分子更容易断链,降解效果图５　pH对质量浓度０􀆰５g/LPAM溶液COD降解率的影响图６　pH对质量浓度１􀆰０g/LPAM溶液COD降解率的影响图７　pH对质量浓度２􀆰０g/LPAM溶液COD降解率的影响明显,但非酸性环境没有这样的效果,所以pH＝１时降解效果最好.２􀆰４　pH对PAM溶液黏度去除率的影响不经放电处理,用氢氧化钠和盐酸调节质量浓度为０􀆰５g/L、１􀆰０g/L、２􀆰０g/L的PAM溶液pH(PAM溶液初始pH＝５),考察pH对不同浓度PAM溶液黏度去除率的影响,结果见图８.由图可知,酸性条件下PAM溶液的黏度去除率很高,原因是酸性条件下溶液中PAM链状结构被破坏,降低了分子间的相互作用力,导致溶液黏度变小.而碱性溶液不能破坏PAM的链状结构.为了降低PAM溶液黏度同时兼顾经济效益,确定溶液pH＝４.图８　pH对不同浓度PAM溶液黏度去除率的影响２􀆰５　放电时间对PAM溶液黏度去除率的影响取质量浓度０􀆰５g/L、１􀆰０g/L、２􀆰０g/L的PAM溶液各２００mL,分别放入低温等离子体水处理反应器,调节放电电压为４０kV,在放电时间１h、２h、３h、４h条件下对PAM溶液进行处理,考察放电时间对不同浓度PAM溶液黏度去除率的影响,结果见图９.由图可知:PAM溶液质量浓度为０􀆰５g/L、１􀆰０g/L时,放电时间超过１h后溶液黏度去除率基本不再变化;在放电时间相同条件下,PAM溶液质量浓度为１􀆰０g/L时其黏度去除率最大;但PAM质量浓度为２􀆰０g/L时,放电时间达到３h溶液黏度去除率才趋于稳定.原因是PAM溶液质量浓度较高时,放电时间也较长.考虑到经济效益,确定放电时间要大于等于１h.􀅰１７２􀅰化工新型材料第４８卷图９　放电时间对不同浓度PAM溶液黏度去除率的影响２􀆰６　pH对质量浓度１􀆰０g/L的PAM溶液黏度去除率的影响使用氢氧化钠和盐酸调节质量浓度１􀆰０g/L的PAM溶液pH,将pH控制在１、２、３、４、５、６、７.取２００mLpH不同的PAM溶液,放入低温等离子体水处理反应器,调节放电电压为４０kV,