菠萝蜜视频网站入口地址與超聲波聯合去除飲用水中1,4-二氧六環的研究

摘要

采用連續流反應器在線測量水基菠萝蜜视频网站入口地址，對菠萝蜜视频网站入口地址、超聲和菠萝蜜视频网站入口地址/超聲工藝去除自來水中的1,4-二惡烷進行了評價。研究發現，在菠萝蜜视频网站入口地址中加入超聲波可以顯著促進菠萝蜜视频网站入口地址的去除。菠萝蜜视频网站入口地址/超聲法對1,4-二惡烷的去除率超過了單獨菠萝蜜视频网站入口地址法和超聲波法的總和。單超聲顯示1,4-二氧六環去除率不到20%。研究了反應器加壓和碳酸氫鹽作為羥基自由基清除劑的影響。觀察到，在恒定的水菠萝蜜视频网站入口地址濃度下，反應器中的附加壓力傾向於抑製菠萝蜜视频网站入口地址/超聲過程中注意到的1,4-二惡烷的去除，而附加壓力不影響單獨通過菠萝蜜视频网站入口地址去除1,4-二惡烷。發現1,4-二氧六環的去除依賴於水中菠萝蜜视频网站入口地址的消耗，並且發現通過添加超聲波或增加ph值可以增加菠萝蜜视频网站入口地址的消耗。計算了菠萝蜜视频网站入口地址和菠萝蜜视频网站入口地址/超聲處理的各種菠萝蜜视频网站入口地址濃度的速率常數，並將係統擬合到Chick-Watson模型中。

介紹

新出現的汙染物(EC) 1,4-二惡烷是一種預期的人類致癌物，已被用作溶劑、緩蝕劑和穩定劑(美國環保局2006年)。它被納入第三個不受管製的汙染物監測規則(UCMR 3)，因此，從美國4,905個公共供水係統中分析了36,532個樣本，以檢測二氧六環。在這些樣本中，4,183份樣本中檢測到1,4-二氧六環(11.5%)，1,075份(2.9%)超過了0.35 μ g/L (0.35 ppm)的谘詢限值，該限值基於1 / 106的癌症風險(US-EPA 2016)。1,4-二惡烷也在國外和美國被檢測到(Zenker, Borden, and Barlaz 2003) (Kraybill 1977) (Abe 1999) (Mohr 2010)。1,4-二惡烷的物理和化學性質在其環境命運和運輸中起著重要作用。它與水可混溶，在受汙染的地下水和地表水中具有很強的流動性。

為了去除1,4-二氧六烷，已經測試了許多處理技術，包括物理修複(Aitchison等人2000年)、陽極氧化(Choi等人2010年)、氯化(McGuire、Suffet和Radzuil 1978年)(Klecka和Gonsior 1986年)(Zenker、Borden和Barlaz 2003年)、基於tio2的光催化(Maurino等人1997年)(Coleman等人2007年)、H2O2/UV工藝(Stefan和Bolton 1998年)、超聲波(Beckett和Hua 2000年)(Xu等人2012年)、Fenton和Fenton-like工藝(Son, Im。和Zoh 2009)(岸本和Sugimura 2010)，過硫酸鹽氧化(Felix-Navarro et al. 2007)，滴流過濾器生物氧化(Zenker, Borden和Barlaz 2004)，活性汙泥生物氧化(Zenker, Borden和Barlaz 2003) (Roy, anagnostou和Chaphalkar 1995)。高級氧化工藝(AOPs)，如UV/ H2O2和O3/H2O2，在去除1,4-二氧六烷方麵表現出更大的希望(Muruganandham等人，2014)(Stefan和Bolton, 1998) (Suh和Mohensi, 2004)。然而，雙氧水的使用會給現場的手工處理和儲存帶來挑戰，並可能導致常見管道材料的腐蝕問題(Sharma和Kumar 2011)。此外，紫外線處理的有效度取決於基質的透過率，汙垢會導致光輻照度下降(Wait, Johnston, and Blatchley 2007)。超聲與Fe°、Fe2+、S2O82-等氧化劑的結合也提高了二氧六環的去除效果(Son et al. 2006)。

很近，有報道稱菠萝蜜视频网站入口地址和超聲聯合去除1,4-二惡烷(Xu et al. 2012)。菠萝蜜视频网站入口地址是一種強氧化劑，可以直接與許多汙染物發生反應，也可以通過產生羥基自由基間接發生反應(Gerrity and Synder 2011)。水的超聲波輻照產生空化，汙染物降解可以發生在空腔內、空腔界麵或與形成的自由基一起發生在體溶液中。當菠萝蜜视频网站入口地址氣體受到空腔作用時，人們認為熱過程將菠萝蜜视频网站入口地址轉化為分子氧和氧原子，然後氧原子自由地與水分子反應形成羥基自由基(Xu et al. 2012) (Kang and Hoffmann 1998) (Weavers and Hoffmann 1998) (Zhang, Duan, and Zhang 2007)。然後，羥基自由基可以在本體溶液中和在空泡界麵附近與1,4-二氧六烷反應(Weavers, Malmstadt, and Hoffman 2000)。當菠萝蜜视频网站入口地址和超聲波相結合時，它pre提供了一些潛在的操作優勢。有了合適的氧氣生成設備，就可以從周圍的空氣中產生菠萝蜜视频网站入口地址，而超聲波也可以隻使用電力產生。因此，這種特殊的AOP可以用來處理水，而不需要添加額外的化學氧化劑。菠萝蜜视频网站入口地址和超聲聯合對1,4-二惡烷有協同去除作用，菠萝蜜视频网站入口地址/超聲聯合的一級速率常數比菠萝蜜视频网站入口地址和超聲單獨的速率常數之和高28.6%。研究發現，菠萝蜜视频网站入口地址/超聲聯合處理可使初始二氧六環濃度 (10 mg/L)在處理2小時後降低約54% (Xu et al. 2012)。然而，這是一項批量研究，菠萝蜜视频网站入口地址從超聲波反應器的底部起泡。在間歇式O3/US反應器中，由於氣泡逃逸到氣相中，菠萝蜜视频网站入口地址氣泡的接觸時間受到限製。使用連續流反應器可能會提高工藝效率效率。在連續流動中，菠萝蜜视频网站入口地址將有更長的接觸時間溶解並與汙染物發生反應。在超聲波輻照過程中，菠萝蜜视频网站入口地址向水的質量傳遞速率應該增加(Olson and Barbier 1993) (Weavers and Hoffmann 1998) (Lall et al. 2003) (Kindak and Ince 2007) (Laugier et al. 2008)。此外，在連續流係統中，反應器內的壓力是可以控製的。由於菠萝蜜视频网站入口地址處理依賴於傳質，因此本研究探討了反應器加壓作為提高工藝效率的潛在手段。本研究考察菠萝蜜视频网站入口地址濃度、處理時間、反應器壓力、超聲強等因素的影響

 

化學品和試劑

1,4-二氧六環(99.9%)、1,4-二氧六環d8(99%)、二氯甲烷(99%)和氯化鈉(ACS級)購自Sigma Aldrich。用於菠萝蜜视频网站入口地址淬火的硫代硫酸鈉(ACS級)購自Fisher Scientific。調節pH使用Fisher Scientific公司的濃鹽酸和Sigma Aldrich公司的氫氧化鈉(≥97.0%)。

采用Barnstead納米純金剛石超純水係統獲得去離子水。

來自費城水務局(Baxter處理廠)的飲用水被用於大多數實驗。該水的pH值為7.01±0.39，總有機碳(TOC)為1.95±0.32 ppm，總無機碳(TIC)為7.85±1.22 ppm，其中差值表示整個實驗期間測量的標準偏差。該水在處理廠使用次氯酸鈉消毒，並在實驗前將製備好的水分批次脫氣數天。之所以選擇加標飲用水，是因為它代表了已經經過常規處理的水，但仍保留著頑固的汙染物，需要拋光處理步驟。

實驗設計

實驗在連續流菠萝蜜视频网站入口地址/超聲反應器中進行，如圖1所示。實驗裝置包括:一個供氧的Wedeco菠萝蜜视频网站入口地址發生器、一個2.6 l不鏽鋼反應器、一個輸出功率為2 kW的Telsonic 20kHz超聲波發生器、一個縱向超聲探頭、一個菠萝蜜视频网站入口地址計和控製器、FMI變速正排量泵(用於流量控製和加壓的雙泵頭)、一個冷卻係統、一個壓力控製閥、一個KoFlo靜態混合器、以及各種Swagelok不鏽鋼管和壓縮配件。將超聲反應器置於冷卻水浴中，溫度保持在7℃。

先取未經處理的水樣，再取單獨超聲處理、單獨菠萝蜜视频网站入口地址處理、菠萝蜜视频网站入口地址/超聲聯合處理後的水樣。通過改變菠萝蜜视频网站入口地址發生器上的重量百分比來達到所需的水菠萝蜜视频网站入口地址濃度。

在每個樣品之前，係統被允許穩定兩次保留時間，以確保準穩定狀態條件。在繪製每個樣品後立即加入硫代硫酸鈉溶液(0.1 M)以淬滅任何剩餘的菠萝蜜视频网站入口地址。

分析方法

1,4-二惡烷的分析

采用液液萃取法(LLE)對1,4-二惡烷進行定量分析，然後采用氣相色譜/質譜法(GC/MS)分析。

將100 mL樣品加入已知量的標記內標(1,4-二氧六環d8)，並在150 mL分離漏鬥中與25 mL二氯甲烷混合。摒棄水相，采用有機相進行分析。GC/MS分析采用Agilent 6890N氣相色譜和5973N質譜聯用，采用電子電離(EI+)模式。采用SPB624熔融石英毛細管柱(膜厚30 m × 0.25 mm × 1.4µm)。載氣采用高純氦氣，流速為1ml /min。采用無分裂方式自動進樣，進樣量為5µL。注入溫度為250℃，頭壓為60 kPa氦氣。初始烤箱溫度為45°C，保持1分鍾，然後以7°C/min的速度上升到90°C。很後，在30°C/min的溫度下將烤箱溫度升至200°C，並保持5分鍾。轉移線溫度維持在230℃，電子能量為70 eV，離子源溫度為250℃。

菠萝蜜视频网站入口地址分析

采用Hach Orbisphere 410控製器和C1100菠萝蜜视频网站入口地址傳感器測量水溶液菠萝蜜视频网站入口地址濃度。該係統在電解溶液中使用陽極和陰極，電解溶液通過氣體滲透膜與樣品分離。穿透這層膜的菠萝蜜视频网站入口地址在陰極發生反應，產生與被取樣流體中氣體的分壓成正比的電流。根據製造商的建議(Lange 2009)，傳感器和控製器將使用空氣校準方法進行校準。空氣相菠萝蜜视频网站入口地址濃度測量使用一對BMT 864C菠萝蜜视频网站入口地址分析儀。

第一台分析儀在注入反應器前測量氣體，第二台分析儀在進入反應器後測量氣體的菠萝蜜视频网站入口地址含量。

TIC/TOC分析

總無機碳和總有機碳使用OI分析TOC 1030分析儀進行分析。

討論

研究了菠萝蜜视频网站入口地址和菠萝蜜视频网站入口地址/超聲聯合工藝在去除1,4-二惡烷中的應用。沒有形成溴酸鹽，而溴酸鹽通常是菠萝蜜视频网站入口地址化過程中不需要的副產品(此處未顯示數據)。在中性pH下，菠萝蜜视频网站入口地址/超聲聯合去除率是菠萝蜜视频网站入口地址單獨去除率和超聲單獨去除率之和的兩倍。菠萝蜜视频网站入口地址和菠萝蜜视频网站入口地址/超聲係統中1,4-二惡烷的去除似乎主要是由羥基自由基的產生驅動的，而羥基自由基的產生又似乎是由菠萝蜜视频网站入口地址消耗速率驅動的(S3)。本研究中菠萝蜜视频网站入口地址和菠萝蜜视频网站入口地址/超聲聯合係統的速率常數結果明顯高於之前批量研究報道的結果(Xu et al. 2012) (Kwon et al. 2012)，但單獨超聲的速率常數與之前的研究相當(Son et al. 2006) (Xu et al. 2012)。

菠萝网站在线观看認為，菠萝蜜视频网站入口地址和菠萝蜜视频网站入口地址/超聲複合速率常數差異的原因是由於使用加標飲用水代替去離子水，以及菠萝蜜视频网站入口地址間歇反應器施加的傳質限製。這項研究的結果為菠萝蜜视频网站入口地址/超聲係統提供了有趣的設計選擇。由於添加超聲波被證明可以提高二氧六環的去除率，超聲波可能是一種有吸引力的方法來減少滯留時間或反應器尺寸。這項研究的結果還表明，超聲波在菠萝蜜视频网站入口地址處理係統中可能是有用的，在菠萝蜜视频网站入口地址化之前調整到基本pH值是不現實的(Kwon等人，2012)。此外，加壓的結果表明，適度增加反應器壓力可以顯著提高反應速率，或允許使用較低的空氣相菠萝蜜视频网站入口地址濃縮濃度來實現處理目標。

 

引用以下文章:Michael Dietrich, Gangadhar Andaluri, Ryan C. Smith和Rominder Suri (2017):

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科學與工程，DOI: 10.1080/01919512.2017.1321981

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