纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂对高浓度氨氮吹脱效率的协同强化机制研究

张佳城,刘永军,刘 磐,张爱宁,齐 浩,刘 喆

纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂对高浓度氨氮吹脱效率的协同强化机制研究

张佳城,刘永军*,刘 磐,张爱宁,齐 浩,刘 喆

(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西 西安 710055)

为了强化煤化工废水中高浓度氨氮(500～7000mg/L)的吹脱去除效率,进一步减少投碱量,制备了一种纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂,并对其稳定性、促脱效率及强化机理进行了研究.结果表明,在有机组分质量分数6.0%,5nm TiO2固含量0.4%,超声分散30min时,纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂性价比最好.在纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂投加量为7.5mL/L时,氨氮吹脱率便可以达到95.14%,且在任何pH值条件下投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂,氨氮吹脱率均能提高17.02%～32.46%.与直接吹脱法相比,投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂吹脱40min,原水pH=10时的氨氮吹脱率便已高于直接吹脱法pH=11.5时的氨氮吹脱率,极大降低了碱耗量.进一步对纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂作用机理研究发现,纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂能极大的降低气液相间表面张力,从而降低传质过程中的液膜阻力,减小气泡尺寸,增大传质接触面积,加快氨气的逸出;同时,在吹脱过程中纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂能够增强界面湍动及对流现象,加快气泡液膜表面部分更新,减少有效传质边界层厚度,从而降低氨氮传质阻力,强化了气液间传质的进行.

复合相促脱剂；高浓度氨氮；纳米流体；吹脱效率；强化机制

煤化工废水是以煤或煤焦为原料进行化工生产时所产生的高浓度有机工业废水[1],具有废水产量大,水质成分复杂[2-3],有毒和难降解化合物种类多[4],氨氮物质浓度含量高[5-6]的特点,是一种典型的处理难度高的工业废水.氨氮、油泥类物质及酚类物质是煤化工废水中污染物的主要组成成分,氨氮含量最高可达7000mg/L.高浓度氨氮如不及时处理回收,会导致水土污染、破坏水生态平衡[7],并产生诱发致癌风险的亚硝胺[8],对环境和人体造成极大的危害.

目前煤化工废水中高浓度氨氮的去除主要采用蒸氨法和吹脱法[9].蒸氨法是去除氨氮的一种有效方法,实现了氨氮的高效率去除,并在工厂中得到了广泛应用[10-11].然而这项技术需要大量的蒸汽,极高的能耗成本约占整个化工生产过程总成本的80%[12].相比之下,以空气为载体的吹脱法是一种简单有效的氨氮去除方法.吹脱法对氨氮去除效果较好且因为操作简便、占地较小的优势得到广泛应用[13].然而吹脱法对pH值、温度、曝气流量等环境因素的敏感程度较高,在保证高效率去除氨氮的条件下会导致能耗增多,处理成本上升等问题[14-16].将蒸氨法与吹脱法进行对比可以看出,制备蒸汽增加了蒸氨法的能耗,碱的投加增加了吹脱法的成本. 因此,研制出一种新型的促脱剂来降低去除氨氮的能耗及成本,具有很大的应用前景[17].

助剂协同强化吹脱法去除氨氮是一种近年来出现的高浓度氨氮废水处理技术,通过在废水中加入单一组分或混合相的复合型药剂,加快氨氮传质进程.雷春生等[18],孙连鹏等[19],冀云等[20]进行了一定的实验研究,通过投加自配的高效复合脱氮剂与直接吹脱法对比,结果表明投加高效复合脱氮剂对氨氮去除性能有较好的提高作用,氨氮去除率高于直接吹脱法20%以上,一定程度上降低了碱耗量和气液比.然而较高的pH值与吹脱时长仍未能大幅度降低能耗,节约成本.冯俊生[21]创新性的采用纳米材料复合表面活性剂组成混合相促脱剂,运用气动超声法处理氨氮废水,去除率可达90%以上,与普通吹脱法和超声吹脱法对比有较明显的提高,但外加超声的吹脱塔在实际工程中面临着设计成本能耗较大的问题.目前助剂强化吹脱法去除氨氮的机理研究仍存在一定空白,仅有理论分析推理而无较为详细的实验验证,有待进一步研究.

本文主要在吹脱法的基础上,投加自配的液-固两相纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂,对纳米TiO2/ ZJ-01复合相促脱剂稳定性及氨氮吹脱率影响因素进行分类探讨,并从不同角度探究纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂强化吹脱法的作用机理,证明了投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂在较低pH值下强化直接吹脱法去除煤化工废水高浓度氨氮的实际可行性.

1 材料与方法

1.1 原水水质

实验用水来源于榆林市某煤化工厂的生产废水,其pH值约为8.5～9.0,氨氮含量为5500～6200mg/ L,温度为45℃～60℃,COD40000～50000mg/L.

1.2 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的制备

纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂主要由非离子氟碳表面活性剂FS-3100、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、无水乙醇、多乙烯多胺与锐钛型纳米TiO2(5nm、10nm、20nm)按照不同比例与去离子水复配而成.以上试剂均为分析纯.

纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的制备采用两步法,制备流程如图1所示:将特定比例的表面活性剂及活化成分在60℃下充分溶解于去离子水中制成有机组分ZJ-01,再加入一定量的纳米TiO2,通过超声装置快速分散稳定,便制得纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂.

图1 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂制备流程

1.3 实验装置

吹脱实验装置采用传统吹脱法装置,由曝气泵、气体流量计(LZB-6WB,20℃,101.3kPa)及吹脱反应装置组成,吹脱空气为高压空气.

通过纹影法观测传质过程界面湍动及对流现象,纹影法光路装置如图2所示.由点光源、凹面镜(114口径500焦距)、高速摄影机(960FPS,1080P)及吹脱反应装置(长18cm,宽3cm,高25cm)组成.

图2 界面湍动及对流现象观测光路装置

1.4 分析方法

(1)纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂形貌采用场发射透射电镜(日立-H7650)观测分析.

(2)纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂稳定性通过UV-Vis紫外光谱与Zeta平均粒径分布结合分析. UV-Vis采用紫外-可见光谱分析仪(Hach-DR6000)表征. 实际粒径分布采用液体Zeta粒径/电位分析仪(马尔文-Nano ZS)表征.

(3)气液相间表面张力通过表面张力仪(Dataphysics-DCAT11)测定.

(4)界面湍动及对流现象定量分析采用基于Matlab的Luftvis软件处理.

(5)氨氮根据纳氏试剂分光光度法(GB7479-87)测定.

2 结果与讨论

2.1 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的制备及稳定性分析

在以往研究基础上发现,直接投加纳米TiO2易发生团聚现象分散性能不佳,导致降低氨氮吹脱性能. 在吹脱过程中通过超声分散能有效阻止颗粒间聚并[22],然而实际工程应用中,吹脱塔外加高功率超声极大地增加了能耗和成本.因此本研究采用预先超声分散制备成高浓度纳米流体的方式来解决团聚和成本的问题. 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂主要由一定量的纳米TiO2与特定比例有机化合物配制而成的有机组分ZJ-01组成,通过超声分散稳定后制得.通过TEM图像结合UV-Vis紫外光谱与Zeta平均粒径分布来精确判断纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的稳定性[23-24],从而在保证良好氨氮吹脱性能下选取最具性价比的配比和超声时长,同时良好的稳定性也决定了促脱剂能否大量制备保存及应用.

形貌观测如图3所示.在相同分散条件下,纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂与普通TiO2流体均出现不同程度的团聚现象,但是普通TiO2流体中纳米颗粒团聚沉降现象更加明显和严重,无法识别单一颗粒的轮廓与边界,彼此粘连导致颗粒变形严重.而纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂中纳米TiO2虽然由于浓度较高颗粒重叠在一起,但是单一纳米颗粒轮廓清晰可辨,大部分纳米颗粒形态规则,说明彼此间具有一定分散性.结果表明,预先超声分散能够有效增加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的分散性和稳定性,而良好的分散性有利于纳米TiO2在液相中扩散.

图3 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂与普通纳米TiO2流体TEM形貌对比

a:50nm分辨率下纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂;b:50nm分辨率下普通TiO2纳米流体

UV-Vis紫外光谱与Zeta平均粒径分布如图4所示,由图4中(a-1)、(a-2)、(a-3)可知,纳米TiO2/ZJ- 01复合相促脱剂的峰值基本处于353～392nm波段.任一粒径下,随着纳米TiO2固含量的增大,UV-Vis图像的峰高变化趋势不大,但是峰的宽度明显增加并逐渐消失.当固含量为1.0%时,已无明显的峰尖,整体变得平缓,表明复合相促脱剂的稳定性逐渐降低[25].5nm、10nm、20nm粒径的复合相促脱剂UV- Vis图像峰消失前最大纳米TiO2固含量分别为0.4%、0.6%、0.6%.从图4中(b-1)、(b-2)、(b-3)可知,5nmTiO2复合相促脱剂分散性受超声时间的影响最小,30min便可分散稳定,其图像重合性较高. 而10nmTiO2、20nmTiO2的复合相促脱剂受超声时长的影响较大,分散稳定至少需要超声1.5h和3.0h.结合实际粒径分布(图4中(c-1)、(c-2)、(c-3)),任何粒径的复合相促脱剂均有发生轻微的团聚,然而5nm粒径的复合相促脱剂的实际粒径分布最小,约为78nm～105nm,10nm和20nm粒径的复合相促脱剂的实际粒径分布均大于200nm,且团聚现象更为严重.由前期实验结论可知,氨氮吹脱率随着粒径的增大呈下降趋势,所以5nm粒径的复合相促脱剂具有明显的优势. 因此结合稳定性分析,在实际应用中纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂采用5nmTiO2制备而成,固含量为0.4%、有机组分质量分数为6.0%、超声分散时间为30min,可以降低能耗,节约成本,性价比最高.

图4 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂UV-Vis紫外光谱与Zeta平均粒径分布

(a-1)、(a-2)、(a-3)分别为纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂中5nm、10nm、20nmTiO2不同固含量UV-Vis图像;(b-1)、(b-2)、(b-3)分别为纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂5nm、10nm、20nmTiO2临界固含量下不同超声时间UV-Vis图像;(c-1)、(c-2)、(c-3)分别为纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂5nm、10nm、20nmTiO2临界固含量下实际粒径分布

2.2 投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的氨氮吹脱效果及影响因素分析

实验主要分析了纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂投加量以及pH值、温度、吹脱流量、原水初始氨氮浓度等环境因素对氨氮吹脱效率的影响,结果如图5所示. 当实验条件为pH值10.0,温度55℃,吹脱流量5L/min时考察复合相促脱剂投加量对氨氮吹脱率的影响.如图5-(a)所示,任一吹脱时间段,投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的氨氮吹脱率均明显高于直接吹脱法的氨氮吹脱率.吹脱120min时,最大提高率较直接吹脱法可达37.93%.过量投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂氨氮吹脱率反而呈下降趋势,这是因为随着有机组分含量的增大,在气液表面大量富集产生过量泡沫造成了力学阻碍,不利于氨氮由液体向气泡的传质,从而降低氨氮的吹脱效果[21].

废水pH值对投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的氨氮吹脱效果影响很大,pH的增加能促使NH4+向NH3转化[26],在纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的作用下能更快的将NH3从液相传递至气相,极大提高氨氮的两相传质.在投加量7.5mL/L,温度55℃,吹脱流量5L/min时考察废水pH对促脱剂氨氮吹脱率的影响并选取吹脱第40min与直接吹脱法进行对比,如图5(b)所示.可以看出在任一pH范围内,投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的氨氮吹脱率均明显高于直接吹脱法17.02%～32.46%.当pH>10时,氨氮吹脱率的提高幅度均大于25%,吹脱120min时,氨氮吹脱率均达到98%以上.而pH>11.5时,只需吹脱60min,氨氮吹脱率便达到95.90%. 在投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的情况下,废水pH=10.0时的氨氮吹脱率仅比直接吹脱法pH=11.5时的氨氮吹脱率低0.37%.说明投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂在较低pH下仍有可观的氨氮吹脱率.

另外,温度和吹脱流量也是影响氨氮吹脱性能不可忽视的因素,温度升高会有利于NH4+向NH3的转化,促使NH3从废水中脱除[27],吹脱流量增加会促进分子气液两相间传质速率[28],同时二者也强化了有机组分的活性和纳米TiO2在废水中的扩散[29-30].如图5(c)所示,当实验条件为pH值10.0,投加量7.5mL/L,吹脱流量5L/min时吹脱120min,温度从35℃提高到55℃,氨氮吹脱率从56.81%提高到96.14%,氨氮吹脱率有明显的增长.过高的温度反而导致氨氮吹脱率降低这主要是因为高温导致水分蒸发速率超过氨气逸出的速率,因此温度可以控制在55℃～ 65℃最佳.从图5(d)可知,在pH值10.0,温度55℃,投加量7.5mL/L条件下将吹脱流量从1L/min提高到5L/min,氨氮吹脱率提升显著,从57.96%提高到了98.57%.然而较高的吹脱流量会加速气泡的上升,减少有机组分在气泡表面的吸附及气液两相的接触时间,从而降低氨气吹脱效率.因此综合能耗问题,吹脱流量可以控制为5L/min,对应的单位时间(L/h)气液比为900:1.

图5 不同条件下纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂对氨氮吹脱效率的影响

从以上四个因素对比可以发现,投加纳米TiO2/ ZJ-01复合相促脱剂协同吹脱法具有明显的优势,仅需投加7.5mL/L,在pH为10.0,吹脱流量5L/min (气液比900)时吹脱120min,氨氮吹脱率可达到95.14%,提升了37.93%.而在相同氨氮吹脱率下,传统吹脱法通常需调节pH值11.5以上,气液比大于3000,吹脱时间约4.0h.因此投加复合相促脱剂使碱耗量最高可下降65.52%,气液比降低70%,时间则缩短一倍,极大的节约了能耗和成本.

通过去离子水稀释煤化工原水,得到不同氨氮浓度的废水.控制实验条件为pH值10.0,温度55℃,投加量7.5mL/L,吹脱流量5L/min,考察初始氨氮浓度对复合相促脱剂氨氮吹脱率的影响,如图5(e)所示.结果表明吹脱时间相同时,初始氨氮浓度越高,单位时间内氨氮的去除量越大,氨氮的吹脱率也越高.这说明纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂对高浓度氨氮废水响应程度较好.高浓度氨氮废水中含有大量的游离氨,在纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的作用下能更快的从废水中逸出,从而大大提高了氨氮去除量,而对于较低浓度的氨氮废水,空气中氨的分压与废水中氨浓度分压的差值较小,导致以液相浓度差为主的传质总推动力较低,所以投加复合相促脱剂协同吹脱法效果明显降低.

由于纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂以纳米流体的形式在长时间放置时,仍会因为稳定性而颗粒团聚结晶,降低实际效果,因此静置时间对纳米TiO2/ ZJ-01复合相促脱剂氨氮吹脱率影响较大.在pH值10.0,温度55℃,投加量7.5mL/L,吹脱流量5L/min的条件下吹脱30min,投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的氨氮吹脱率如图5-(f)所示.随着静置时间的增加,纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的氨氮吹脱率逐渐降低然后趋于稳定.静置前10天氨氮吹脱率较为稳定,约为47.74%,较直接吹脱法增长了24.68%.当静置超过40天时,氨氮吹脱率约为33.16%,较直接吹脱法增长了10.01%.此时,可以观测到复合相促脱剂中纳米TiO2存在严重团聚沉降,且有机组分也有结晶析出.

2.3 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂强化氨氮传质机理研究

2.3.1 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂对气液相表面张力的影响 通过表面张力仪测定投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂前后煤化工废水气液相表面张力的变化情况来分析纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂增强氨氮吹脱性能的作用机理,结果如图6所示.由图6-(a)、图6-(c)可以看出,随着pH和温度的升高,气液相表面张力呈下降趋势,但是变化幅度不大,说明pH值和温度对气液相表面张力的影响有限.废水pH值的升高,更多的作用是极大程度上促使NH4+向NH3转化,产生大量的游离氨,从而提高氨氮吹脱率.而温度的升高也能推动NH4+向NH3转化的反应的进行,还可以增加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂的活性,提高氨氮吹脱率. 而由图6(b)可知,随着纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂投加量的增加,气液相表面张力下降程度非常明显.当促脱剂投加量为7.5mg/L时,原水气液相表面张力从43.982mN/ m下降至21.046mN/m,降幅达到了52.15%.由图6(d)发现,气液相表面张力降低幅度随着初始氨氮浓度的升高而增大,初始氨氮浓度越高的废水,电导率也越高.废水中的大量离子会压缩表面活性剂的双电层,使表面活性剂之间排列更为紧密,从而提高表面张力的降低幅度[31],这也解释了纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂对高浓度氨氮废水响应较好、吹脱率较高的原因.

纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂中的有机组分ZJ-01能够较大幅度的降低气液相表面张力,王晟[32]推导的总传质系数m表示废水变化相同质量浓度所需的时间,m越小传质越快,而总传质系数m与气液相表面张力呈正相关,说明较低的气液相表面张力能有利于加快气液传质.同时较低的气液相表面张力可以减小气泡尺寸[33-34],从而增大气泡比表面积,增加传质接触面积.在吹脱法不断生成气泡时,表面活性剂快速的附着于气泡表面,降低气液相表面张力同时形成表面张力梯度差,有利于加快气泡液膜表面部分更新,降低传质过程中的液膜阻力,从而加快氨气的逸出.而较大的表面张力梯度,也会强化Marangoni对流现象[35],促进气液间传质的进行.

2.3.2 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂对界面湍动及对流现象的影响 通过纹影法对投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂和直接吹脱法的吹脱过程观测记录,并运用Luftvis软件分析二者在吹脱过程中界面湍动及对流现象的脉动流场RMS,结果如图7所示.

由图7可知,两组分界面湍动最剧烈、脉动值最大的区域均位于曝气口上方附近,成为气液交换传质最频繁的部分.在吹脱开始(图7(a-1)、(b-1))时,可以清晰观测到两组分气泡上升时引发周围原水的湍动效果,但是投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂组分界面湍动对流的区域及范围较直接吹脱法组分更广.由图7(a-4)、(b-4)可知,吹脱稳定后,投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂组分与直接吹脱法组分的界面湍动的差异更大.界面湍动最剧烈、脉动值最大的区域范围更远远大于直接吹脱法组分,界面湍动现象更为稳定和强烈,说明气液传质过程更为迅速,较大的提高了氨氮的去除性能.

图6 不同条件下纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂降低气液相表面张力能力对比

图7 不同吹脱时刻下投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂与直接吹脱法界面湍动RMS对比

a-1～a-4:投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂吹脱法在不同吹脱时刻下界面湍动及对流的脉动流场RMS;b-1～b-4:直接吹脱法在同一时刻下界面湍动及对流的脉动流场RMS

纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂中投加的纳米TiO2颗粒在废水中的扩散和布朗运动能强化吹脱时原有的界面湍动与对流效果,形成无数微对流和微涡体,使吹脱过程中的传质交换更加微小化、复杂化.部分吸附在气液界面处的纳米TiO2颗粒通过增加界面局部湍动减少了有效传质边界层厚度[36],从而降低了传质过程液膜阻力,加快氨气由液相向气相的传递,增大氨氮吹脱率.

图8 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂强化氨氮传质机理

a:直接吹脱法去除氨氮传质过程;b:纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂强化氨氮传质过程

纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂协同强化吹脱法的作用机理可从宏观及微观角度来分析探讨.如图8所示:从宏观角度来说,吹脱过程也是一个剧烈的传质过程,主要依靠pH和温度的改变促使MH4+向NH3转化,同时依靠氨分子气液相浓度差作为推动力,通过吹脱过程中引起的湍动及对流现象快速从水中逸出;在原有的剧烈传质过程下,复合相促脱剂中添加的纳米TiO2颗粒能够在吹脱过程中不断与气液边界层碰撞,导致气液边界层厚度变薄,从而有利于气体的传质[37];纳米TiO2颗粒在液体及边界层引起的界面湍动和各种对流现象极大的增加了传质的不稳定程度,促进气泡液膜表面更新,加快了氨气的逸出速率;同时纳米颗粒能吸附在气泡表面,增加气泡刚度减少气泡尺寸并阻止气泡间聚并[38],增大了传质时气液相接触面积.对单一气泡而言,吹脱过程的氨氮传质主要集中在气泡从产生到上升至液面过程中,依靠传质浓度梯度差将氨分子从水中扩散进入气泡,进而带出液面,传质接触面积即气泡的表面积,传质阻力则是穿过气液膜的阻力.而有机组分中的表面活性剂由于其特殊基团的存在会快速分布于气液相界面,降低气液相表面张力,大大降低了液膜阻力;较大的表面张力浓度梯度差也会强化Marangoni对流现象,促进气液间传质的进行,提高吹脱传质效率;同时较低的表面张力可以减小气泡尺寸,从而增大气泡比表面积,增加传质气液接触面积,促使更多氨气由液相向气相逸出.

3 结论

3.1 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂中有机组分质量分数为6.0%,5nmTiO2固含量为0.4%.超声分散30min时性价比最好,具有良好的稳定性.

3.2 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂能够显著提升吹脱法的氨氮吹脱率.最高可达37.93%. pH值10.0、投加量7.5mL/L、温度55℃、吹脱流量5L/min、吹脱时长为120min时,氨氮吹脱效果最佳,氨氮吹脱率可达到95.14%,极大的节约了能耗和成本.

3.3 纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂能极大的降低气液相间表面张力,从而降低传质过程中的液膜阻力,加快氨气的逸出.同时还能在吹脱过程中增强界面湍动及对流现象,强化气液间传质的进行.因此,投加纳米TiO2/ZJ-01复合相促脱剂协同吹脱法处理煤化工废水中高浓度氨氮是切实可行的.

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Synergistic enhancement mechanism of nano-TiO2/ZJ-01 composite promoter on the removal efficiency of high-concentration ammonia nitrogen.

ZHANG Jia-cheng, LIU Yong-jun*, LIU Pan, ZHANG Ai-ning, QI Hao, LIU Zhe

(School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Key Laboratory of Northwest Water Resource, Environment and Ecology of Ministry of Education, Xi’an 710055, China)., 2022,42(6)：2628～2637

In order to enhance the air-stripping removal efficiency of high concentration ammonia nitrogen (500～7000mg/L) from coal chemical wastewater and reduce thealkali consumption noticeably, a nano-TiO2/ZJ-01 composite promoter was prepared, and its stability, efficiency and promoting mechanism were further investigated. The results showed that the nano-TiO2/ZJ-01 composite promoter had the highest cost-efficient at the proportion of 6.0% and 0.4% (w.t) for organic fraction and 5nm TiO2, respectively within 30min ultrasonic dispersion. The ammonia nitrogen air-stripping rate was up to 95.14% at the Nano-TiO2/ZJ-01 dosage of 7.5mg/L as well as increasing by17.02%～32.46% under any pH values in the presence of the nano-TiO2/ZJ-01. The ammonia nitrogen removal rate for original coal chemical wastewater when the nano-TiO2/ZJ-01 existed in 40min was higher than that of the wastewater by adjusting alkalinity to pH=11.5using direct air-stripping method, indicating that the alkali consumption reduced sharply. Moreover, the mechanism of ammonia removal by the nano-TiO2/ZJ-01 was investigated that the occurrences of the decreased liquid film resistance and the increased mass transfer contact area together with the reduced bubble size in the mass transfer process have arisen due to the great reduce of surface tension between gas and liquid phases, resulting in the escape of ammonia from wastewater accelerating. Meanwhile, the role of the nano-TiO2/ZJ-01 existed in the air-stripping process contained the enhanced actions of the interfacial turbulence and convection and the accelerated renewal of liquid film side in bubble surface as well as the reduced thickness of effective mass transfer boundary layer, therefore the reduction of the ammonia-nitrogen mass transfer resistance and strengthening of the mass transfer between gas and liquid were occurred.

composite promoter；high concentration of ammonia nitrogen；nanofluid；air-stripping efficiency；enhanced mechanism

XT03

A

1000-6923(2022)06-2628-10

张佳城(1997-),男,陕西汉中人,西安建筑科技大学硕士研究生,研究方向为煤化工废水无害化处理理论与技术.

2021-11-04

国家自然科学基金(51978559);陕西省重点研发计划(2019ZDLSF05-06)

* 责任作者, 教授, liuyongjun@xauat.edu.cn