微米气泡强化臭氧氧化的作用机理研究（上）
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    初里冰1 　邢新会13 3
    于安峰1 　孙旭林2 　本杰明2   初里冰1 　邢新会
    (1　清华大学化学工程系生物化工研究所, 北京, 100084; 2　日本Air Liquide Laboratories株式会社, 日本筑波)
    摘　要　采用微米气泡系统(平均粒径约为58μm) 和普通的鼓泡系统进行对比研究微米气泡对臭氧氧化
    的强化作用机理. 在相同的进气流率下, 采用微米气泡体系臭氧在水中的传质系数和利用率是鼓泡系统的
    116—217倍和213—312倍. 利用臭氧氧化模拟活性艳蓝KN2R废水(100 mg•l- 1 ) 的实验结果表明, 染料
    在微米气泡体系中的脱色速率高于鼓泡系统, 二者达到99%脱色效率所需的时间分别为30 min和60 min.
    在同样的脱色速率下, 染料在微米气泡系统中的TOC去除率较大, 说明微米气泡不仅能够提高臭氧的传质
    速度, 而且可以强化臭氧的氧化能力.
    关键词　微米气泡, 臭氧氧化作用, 活性艳蓝KN2R.
    　　臭氧在水中的氧化过程是传质与化学反应同时进行的过程, 因此, 反应与传质之间势必互相影响
    和互相制约[ 1 ] . 臭氧的传质效率与反应器中液体的紊动程度、臭氧在水中的分解动力学以及产生气泡
    的数量和大小有关[ 2 ] . 在相同的气液流率条件下, 气泡的直径愈小, 单位体积液相所具有的相界面积
    愈大, 即臭氧与水的接触面积愈大, 臭氧的利用率也就愈大.
    　　通常的曝气装置释放出的气泡直径一般在毫米级, 而微米气泡的直径一般在几十微米以下, 与通
    常的气泡相比具有许多独特的优势, 主要表现为非常大的比表面积、缓慢的上升速度以及较高的内部
    压力和溶解速度. 微米气泡在水中的存在和发展方式与通常的气泡有很大的差异[ 3 ] . 通常的气泡从水
    中上升到气液界面破碎, 气体逸出损失; 而微米气泡在水中稳定性很强, 微米气泡在水中上升时, 逐
    步缩小成纳米级, 最后消减湮灭溶入水中, 从而提高了气体在水中的溶解度和反应速度[ 4 ] .
    　　本文从提高臭氧的传质效率为出发点, 以难生物降解的染料废水为目标反应物, 研究采用微米级
    气泡强化臭氧氧化的作用机理, 为臭氧的高效利用提供新的方法基础.
    1　实验部分
    111　实验装置
    　　微米气泡发生器(日本Kyowa工程公司)由回旋加速器、回流水泵和组成, 采用自吸供气.
    回流水经过加压后在回旋加速器内呈旋转状态, 吸入的气体在扰动非常剧烈的情况下与加压回流水在
    回旋加速器内混合、溶解. 这时气体在回旋加速器内以两种形式存在, 溶解在水中或是微细气泡以游
    离状态夹裹、混合在水中. 最后, 气液混合物以较高的速度由分散器射流排出, 形成微米级气泡.
    　　反应器由有机玻璃制成, 有效容积20 L. 为比较微米气泡发生器的效果, 反应器底部设置一个微孔
    钛板曝气器, 其孔径为40μm. 臭氧反应器由日本Eco Design公司生产(ED2OG2R4) , 原料气为高纯氧.
    流量范围012—4 L•min- 1 , 臭氧浓度145—50 mg•l- 1. 出口气体经2%的碘化钾溶液吸收后排出.
    112　实验方法
    　　选择活性艳蓝KN2R (RB 19) 作为目标反应物. 将一定量的染料溶于去离子水中制成模拟染料
    废水, 初始染料浓度为100mg•l- 1 , pH值在516左右, 温度控制在23 ±3 ℃. 反应器采用半连续操
    作, 将20 L溶液置于反应器中, 连续通入臭氧气体. 进气流量为015L •min- 1 , 进气中臭氧浓度为
    131mg•l- 1. 微米气泡系统和普通的鼓泡系统平行运行进行对比. 研究微米气泡对臭氧传质的强化作
    用. 将臭氧气体通入去离子水中, 监测溶解臭氧和出口臭氧浓度随时间的变化. 然后将臭氧气体通入模拟染料废水中, 考察微米气泡强化臭氧氧化作用的效果, 并对染料的降解机制进行初步分析.
    113　分析方法
    　　气相臭氧浓度采用KI法检测, 液相臭氧浓度采用靛蓝二磺酸钠法检测; 以594 nm最大吸收峰的
    吸光度变化表征RB 19染料废水的脱色率; 选用上海精密仪器厂的UV 757紫外2可见分光光度计扫描
    染料吸收峰的吸光度; pH值由Model 828 pH计测量(OR ION) ; TOC选用岛津公司TOC25000A分析仪
    测量. 通过测定通气前后反应器液面的高度变化来表征气含率.
    2　结果与讨论
    211　微米气泡强化臭氧传质
    　　微米气泡发生器启动后, 由于大量的微小气泡, 水溶液外观呈乳白色. 微米气泡在水中的上浮速
    度较慢, 停止供气后气泡能稳定存在4—5 min后才消失. 进气流量015 L•min- 1时, 测得微米气泡
    体系的气含率是鼓泡体系的115倍. 采用显微照相法对气泡的粒径进行测量, 处理近600个气泡计算
    得出气泡的平均直径、气泡密度和比表面积分别为58μm, 219 ×104个•ml- 1和334 m- 1. 由于气泡
    的粒径较小, 单位体积溶液中气泡的数量和比表面积非常大, 从而可以大大提高了气体的传质效率.
    　　表1比较了不同的供气流量下, 臭氧在两个体系中的总传质系数和利用率. 臭氧的利用率为水中
    溶入的臭氧总量与供应臭氧总量的比值. 忽略臭氧分解的影响, 溶解的臭氧量按氧转移量的公式进行
    计算[ 5 ] . 在相同的进气流量下, 微米气泡体系中臭氧的传质系数和利用率分别为鼓泡系统的116—
    217倍和213—312倍. 气体的流量愈大, 溶入气体量愈多, 传质系数也就愈大. 对于微米气泡系统,
    气泡的粒径随气体流量的增加而增大. 当流量大于015 L•min
    21时, 可以观察到许多较大的毫米级气
    泡, 从而降低了臭氧的利用率.
    表1　传质系数和臭氧利用率的比较
    Table 1　Comparison ofmass transfer efficiency and ozone utilization ratio
    进气流率/m3 •m - 2 •h - 1 传质系数/min - 1 臭氧利用率/%
    0175 115 2125 0175 115 2125
    微米气泡体系012215 (R2 = 019638) 012924 (R2 = 019812) 01311 (R2 = 019779) 6411 5117 4715
    鼓泡系统010962 (R2 = 019862) 011083 (R2 = 019819) 01194 (R2 = 019640) 2010 1611 2013