臭氧微气泡/紫外光处理费托合成水的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0304

摘要/Abstract

摘要：

利用臭氧微气泡/紫外光处理费托合成水，研究臭氧微气泡/紫外光对小分子氧化物脱除过程的影响。首先获得了微气泡的最优粒径分布，再分别对费托合成水及其主要单一组分的水溶液进行氧化处理，并对臭氧微气泡/紫外光体系的氧化效果进行表观动力学分析。结果表明，微气泡可增强气液传质，提高臭氧氧化处理效率，COD降解率随微气泡直径减小呈现先增大后减小的趋势，最佳气泡中位径为25.20 μm；在不同紫外光强、氧化体系、反应温度下，臭氧微气泡/紫外光体系氧化费托合成水的COD脱除率均符合准一级反应动力学规律，光强越强、温度越高，反应速率越快；相比单一体系，O₃+UV耦合体系氧化反应速率最快，费托合成水氧化反应活化能为4.088 kJ/mol。在氧化过程中，甲醇转化成甲酸，乙醇转化成乙酸，乙酸转化成甲酸，丙酸转化成乙酸和甲酸。紫外灯功率为1 kW时的设备能耗效率最优，处理时间为2 h时，能耗为58.3 W·h/g。

关键词: 臭氧微气泡, 紫外光, 氧化, 费托合成水

Abstract:

The Fischer-Tropsch（F-T） synthetic water was treated by ozone microbubble/UV light，and the effect of ozone microbubble/UV light on the removal efficiency of small molecule oxides was investigated. Firstly，the optimal particle size distribution of microbubble was found out，then the oxidation of F-T water and its main single-component aqueous solution were treated respectively，and the apparent kinetics of ozone microbubble/UV oxidation system was analyzed. The results showed that the microbubbles could enhance the gas-liquid mass transfer and improve the oxidation efficiency. The degradation rate of COD increased firstly and then decreased with the microbubble size decreasing. The optimum bubble diameter was 25.20 μm. Under different UV intensity，oxidation system and reaction temperature，the COD removal rate of oxidation of F-T synthesized water by ozone microbubble/UV system conformed to the law of pseudo-first-order reaction kinetics. It showed that the stronger the light intensity and the higher the temperature，the faster the reaction rate. Compared with single system，the reaction rate of O₃+UV coupling system was the fastest. The activation energy of the oxidation reaction in F-T synthesis water was 4.088 kJ/mol. The oxidation process could convert methanol to formic acid，ethanol to acetic acid，acetic acid to formic acid，and propionic acid to acetic acid and formic acid. The energy consumption efficiency of the equipment was the best when the UV lamp power was 1 kW，and the energy consumption is 58.3 W·h/g when the treatment time was 2 h.

Key words: ozone microbubble, ultraviolet light, oxidation, Fischer-Tropsch synthetic water

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I2/104

图/表 11

表1 费托合成水原水水质

Table 1 Raw water quality of F-T water

项目	典型值
COD/（mg·L^-1）	45 700
pH	2.43
电导率/（μS·cm^-1）	340
总醇/（mg·L^-1）	9 200
总酸/（mg·L^-1）	13 000
总有机物/（mg·L^-1）	24 000

图1 臭氧微气泡/紫外光氧化实验装置
1—氧气瓶；2—臭氧发生器；3—气液混合泵；4—臭氧气相浓度仪；5—臭氧水浓度仪；6—可视恒温反应釜；7—水冷石英冷阱；8—中压紫外汞灯；9—恒温冷却循环槽；10—紫外灯控制器；11—激光接收器；12—激光发射器。

Fig. 1 Ozone microbubble/UV oxidation experimental device

表2 气液比对臭氧微气泡粒径分布影响

Table 2 Effect of gas-liquid ratio on particle size distribution of ozone microbubbles

气液比	中位径/μm	粒径分布/μm
10%	15.12	4.24~44.64
15%	25.20	7.24~55.36
20%	45.22	12.37~130.37
30%	76.50	13.77~200.06

表3 粒径分布对臭氧传质影响

Table 3 Effect of particle size distribution on ozone mass transfer

中位径/μm	气液比	臭氧气相质量浓度/（mg·L^-1）	臭氧液相质量浓度/（mg·L^-1）
15.12	10%	150.22	25.60
25.20	15%	120.12	20.30
45.22	20%	105.62	15.20
76.50	30%	98.12	11.20

图2 臭氧微气泡粒径分布对COD脱除率影响

Fig. 2 Effect of particle size distribution of ozone microbubbles on COD removal rate

图3 不同体系组分脱除率（a）及准一级反应动力学拟合结果（b）
A—甲醇水溶液；B—乙醇水溶液；C—乙酸水溶液；D—丙酸水溶液。

Fig. 3 Removal rate of different components（a） and kinetic fitting results of pseudo-first order reaction（b） in different systems

图4 不同体系反应中间产物

Fig. 4 Intermediates of different systems

图5 不同光强下COD脱除率（a）及准一级反应动力学拟合结果（b）
A—4 100.7 μW/cm²；B—7 006.5 μW/cm²；C—15 232.8 μW/cm²；D—251 336.5 μW/cm²。

Fig. 5 COD removal rate（a） and kinetic fitting results of pseudo-first order reaction（b） with different light intensity

图6 不同氧化体系COD脱除率（a）及准一级反应动力学拟合结果（b）

Fig. 6 COD removal rate（a） and kinetic fitting results of pseudo-first order reaction（b） with different oxidation systems

图7 不同温度准一级反应动力学拟合结果（a）及阿伦尼乌斯方程线性拟合结果（b）

Fig. 7 Kinetic fitting results of pseudo-first order reaction with different temperatures （a） and linear fitting results of Arrhenius equation（b）

图8 费托合成水处理能耗对比

Fig. 8 Comparison of energy consumption of F-T water treatment

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