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超声浸提-Fenton氧化联用法对土壤中苯酚污染物的治理研究

作　者: 彭进进
导　师: 罗泽娇
学　校: 中国地质大学
专　业: 环境工程
关键词: 土壤修复苯酚超声浸提 Fenton氧化
分类号: X53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

苯酚是最简单的酚类有机物,属于芳香族化合物,由于其具有很大的毒性和致癌作用,我国将其列入到“水中优先控制污染物黑名单”中。苯酚广泛的存在于炼油、煤气生产、炼焦等行业所排废水中,并可通过各种途径进入到地下水、地表水和土壤中,同时,随着我国工业的快速发展,对作为化工原料的苯酚需求量越来越大,在大量生产和消费过程中,势必会导致苯酚污染越来越严重,被苯酚污染的土壤范围也越来越多,如何处理这些污染土成了一个重要且有意义的课题。苯酚污染土的治理技术主要分物理、化学、生物以及各技术的联用等,但是各技术都不能完全符合既不破坏土壤肥力和生态环境功能,又不会引起二次污染这一发展原则,在此种情况下提出了超声浸提-Fenton氧化联用法这一治理技术,该技术的基本思路是在超声的协助下,用水提取土壤中的苯酚,提取后的土壤干化后回填,得到的提取液通过Fenton氧化去除其中的苯酚,处理后的水达到排放标准后排放。为准确描述处理效果,有必要找到一个能够稳定而又准确的测试土壤中苯酚的方法,以往测试苯酚的方法有液相色谱法和气相色谱法,但都有其缺陷,本研究采用毛细管电泳仪-二极管阵列法测试土壤中的苯酚,通过测试方法研究,得到一套测试土壤苯酚的最优条件,该最优条件为：柱温25℃、30mmol/LK2HPO4+0.5mmol/LTTAB(pH=10):运行缓冲溶液、检测波长206rnm、运行电压20kV、负电压模式、0.5psi压力进样10s条件下,苯酚在4.200到4.400mmin内出峰,迁移时间和峰面积的相对标准偏差(RSD)为0.11%、0.28%,检出限(3Sb/Sx)为0.01mg/L,折合成土样中的检测限为0.25mg/kg。本方法应用于土样中苯酚的测定时,其相对标准偏差1.72%,回收率为98.4%,可以用于土壤中苯酚的测试。在土壤苯酚的超声浸提的研究方面,主要考察了浸提的影响因素,以及各因素的水平。通过实验,优化出浸提影响因素的最佳水平。为科学的找出最优条件,在实验设计上采用了均匀设计法对实验进行设计,其不同于传统的单因素实验之处在于考虑了各因素的交互作用。在因素的选择上,通过参考大量超声浸提研究的文献,总结出了需要考虑的因素有水土比、超声时间、超声温度、超声功率等四个因素：在因素水平的选择上,通过单一因素法的预实验和均匀设计实验,得到数据用回归分析建立模型后,预测了在水土比9∶1、超声时间4min、超声温度30℃、超声功率500W的条件下苯酚的提取率最高,通过验证,得到苯酚的提取率为91.25%,跟预测值相一致,土壤处理后苯酚和挥发酚的残留率分别为7.74%和8.83%,达到预期效果。在超声浸提的最优条件下进行土壤中苯酚的解吸动力学模型研究,通过对数据进行Freundlich动力学模型、一级动力学模型和Elovich模型拟合,得到一级动力学模型的拟合系数最高,由于一级动力学模型主要适用于由扩散机制控制的动力学过程,这一过程涉及的主要机制单一、能量变化不大,因此可以确定土壤苯酚的解吸过程主要是土壤中苯酚从固相向液相扩散的过程,在这一过程中,超声起到了促进作用。在对超声后得到的浸提液的处理方面,由于浸提液主要含酚类物质,而Fenton试剂氧化含酚废水的研究已经相当成熟,因此不需要再对Fenton试剂处理该浸提液的相关参数进行优化,直接援用已有的研究成果即可。在最优条件下处理后得到的浸提液,取500mL的溶液进行Fenton氧化实验,先用1+1的盐酸调节溶液pH=3后,加入60mg硫酸亚铁和0.4mL30%的双氧水,搅拌60mmin后得到苯酚和挥发酚的去除率分别为99.61%,98.94%,处理后的水质达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)三级排放标准,可以排入城镇排水系统进一步处理。在超声浸提-Fenton氧化联用法治理土壤苯酚污染物的应用研究上,需要将实验室条件通过中试放大进一步研究,为投入生产做准备。该设计主要涉及到超声设备的设计、超声换能器的选择、Fenton氧化设备的设计。通过查看相关文献、请教相关专家以及本实验的实际情况,设计的超声设备有效容积槽容积为46L,规格为3.14x2202x300(π×半径2×高(单位：mm)),包裹在有效容积槽的超声液槽的总容积为100L,规格为500x500x400(长×宽×高(单位：mm)),并在有效容积槽的底部设计100目的不锈钢挡板和排泥斗,利于提高超声的效果和排泥；选择25KHz超声频率、单个功率60W的换能器,设计共使用30个,总功率1800W；设计Fenton氧化设备的大小为44L,规格为3.14x2002x350 (π×底面半径2×高(单位：mm))。最后,对本设计的工艺做了概预算,估算其总成本为18265元,运营后污染土壤的处理费用为508元／吨。

全文目录

作者简介  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-22
  §1.1 苯酚特征简介  13-16
    1.1.1 性质  13
    1.1.2 来源  13-14
    1.1.3 稳定性  14-15
    1.1.4 危害  15-16
  §1.2 苯酚污染土壤处理方法简介  16-19
    1.2.1 苯酚污染土壤的物理处理技术方法  16-17
    1.2.2 苯酚污染土壤的化学处理技术方法  17-18
    1.2.3 苯酚污染土壤的生物修复处理技术方法  18-19
  §1.3 苯酚污染土壤处理方法存在问题  19-20
  §1.4 苯酚污染土壤处理方法发展趋势  20
  §1.5 超声浸提-Fenton氧化联用法治理苯酚污染物简介  20-21
  §1.6 本课题研究的目的和意义  21
  §1.7 课题来源及主要研究内容  21-22
第二章实验材料和实验方法设计  22-37
  §2.1 实验材料  22-23
    2.1.1 实验仪器  22
    2.1.2 实验试剂  22-23
    2.1.3 受试土壤理化性质  23
  §2.2 监测项目及方法  23-25
    2.2.1 土壤的理化性质分析  23-24
    2.2.2 污染物指标分析  24-25
  §2.3 土壤挥发酚及苯酚的测试方法研究  25-32
    2.3.1 毛细管电泳仪的基本原理  25-26
    2.3.2 毛细管电泳仪的分离模式  26-28
    2.3.3 方法研究  28-32
  §2.4 超声浸提-Fenton氧化联用法治理土壤中苯酚污染物的实验方法及设计  32-37
    2.4.1 土壤苯酚的超声浸提实验方法  32-33
    2.4.2 土壤苯酚的解吸动力学实验方法  33
    2.4.3 浸提液Fenton氧化处理实验方法  33-34
    2.4.4 实验设计  34-37
第三章实验数据分析  37-44
  §3.1 预实验数据分析  37-39
    3.1.1 水土比对土壤苯酚提取率的影响  37
    3.1.2 超声功率对土壤苯酚提取率的影响  37-38
    3.1.3 超声时间对土壤苯酚提取率的影响  38
    3.1.4 超声温度对土壤苯酚提取率的影响  38-39
  §3.2 均匀设计实验数据分析  39-41
    3.2.1 均匀设计实验结果及分析  39-40
    3.2.2 验证实验结果及分析  40-41
  §3.3 解吸动力学实验结果及分析  41-42
  §3.4 浸提液Fenton氧化处理实验结果及分析  42-44
第四章超声浸提-Fenton氧化联用法治理土壤中苯酚污染物的应用  44-51
  §4.1 超声处理设备的设计  44-46
    4.1.1 超声设备的设计  44-45
    4.1.2 超声设备换能器的选择  45-46
  §4.2 Fenton氧化容器的设计  46-47
  §4.3 超声浸提-Fenton氧化联用法治理土壤中苯酚污染物的工艺流程图  47-49
  §4.4 超声浸提-Fenton氧化联用法治理土壤中苯酚污染物的工程概预算  49-51
    4.4.1 设备具体单价及成本核算  49-50
    4.4.2 运营费用估算  50-51
第五章结论及存在问题  51-54
  §5.1 结论  51-52
  §5.2 问题  52-54
致谢  54-55
参考文献  55-58

超声浸提-Fenton氧化联用法对土壤中苯酚污染物的治理研究

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