申请日2016.05.18
公开(公告)日2016.11.30
IPC分类号C02F9/04; B22F9/24; C02F101/38
摘要
本实用新型属于硝基苯废水治理的技术领域，具体是一种超重力强化纳米零价铁‑臭氧法深度处理硝基苯废水的装置，解决了目前纳米零价铁制备过程繁杂，直接用臭氧作用硝基苯废水时臭氧利用率不高、用量大等问题。包括撞击流‑旋转填料床，旋转填料床内设上部、下部反应区，上部反应区为液‑液反应区，下部反应区为气‑液反应区，上下部反应区之间设置受液装置，下部反应区最上方设置出气口。进气口与臭氧发生器相连，出气口与尾气处理装置连接，撞击流装置进料管Ⅲ和进料管Ⅳ分别与储液槽Ⅴ和储液槽Ⅵ连接。本实用新型纳米零价铁的利用率更加充分，提高了臭氧利用率和氧化效率，适合处理批量大、处理任务重的硝基苯废水处理。
权利要求书
1.一种超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置，其特征在于：包括撞击流-旋转填料床，撞击流-旋转填料床包括撞击流装置和旋转填料床，旋转填料床外壳设有进液口、出液口、进气口和出气口，撞击流装置从顶部进液口进入旋转填料床，旋转填料床内设上部反应区和下部反应区，上部反应区为含亚铁铁盐硝基苯废水溶液和KBH4或NaBH4水溶液的液-液反应区，下部反应区为含苯胺废水与臭氧的气-液反应区，上、下部反应区内分别设置同轴的填料转子，上下部反应区之间设置受液装置，下部反应区最上方设置出气口，进气口通过气体流量计与臭氧发生器相连，臭氧发生器连接氧气瓶;出气口与尾气处理装置连接，
撞击流装置为底部开有对向喷嘴Ⅲ、喷嘴Ⅳ的进料管Ⅲ和进料管Ⅳ，进料管Ⅲ和进料管Ⅳ分别通过泵Ⅳ和泵Ⅴ与储存含亚铁铁盐硝基苯废水溶液储液槽Ⅴ和储存KBH4或NaBH4水溶液的储液槽Ⅵ连接，进料管Ⅲ和进料管Ⅳ与泵Ⅳ和泵Ⅴ之间分别设有液体流量计Ⅲ和流量计Ⅳ，出液口设在撞击流-旋转填料床Ⅲ底部，并通向储液槽Ⅶ。
2.根据权利要求1所述的超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置，其特征在于：所述的受液装置为锥形受液板，锥形受液板底部为圆形平盘，平盘上均布有若干布液孔，锥形受液板外沿与旋转床外壳连接。
3.根据权利要求2所述的超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置，其特征在于所述锥形受液板倾角为5°～45°，所述锥形受液板底部圆形平盘开孔率为30%～60%。
4.根据权利要求1或2或3所述的超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置，其特征在于气-液反应区的填料转子内侧具有为斜面，斜面上设有与斜面成角度的若干带孔斜板。
5.根据权利要求4所述的超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置，其特征在于气-液反应区的填料转子内侧斜面与垂直面设计角度为15°～45°，带孔斜板与斜面设计角度60°～90°。
说明书
超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置
技术领域
本实用新型属于硝基苯废水治理的技术领域，具体涉及一种超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置。
背景技术
硝基苯废水是一种极难降解的废水，由于其来源广、毒性大，目前已被我国列入优先控制污染物名单。近年来，硝基苯废水的治理研究倍受关注。
纳米零价铁(Nanoscaled Zerovalent Iron, NZVI)具有比表面积大，反应活性高等特点，其在重金属离子的去除、有机废水降解、地下水污染修复等废水治理领域有着巨大应用潜力。研究表明，纳米零价铁能够快速、高效地将难降解的硝基苯类化合物还原成易生物降解的苯胺类化合物。然而，现有纳米零价铁的应用研究中，纳米零价铁的制备流程通常为：在氮气保护、连续搅拌下，以一定的速率逐滴向含有一定浓度的可溶性亚铁盐溶液中加入强还原剂，再经过多次离心或磁选分离洗涤，最后干燥或者保存在乙醇或丙酮溶液中。上述制备过程步骤繁杂，条件苛刻，且在干燥及保存的过程中不可避免部分纳米粒子被氧化失活。传统搅拌式的反应器在纳米粒子的制备过程中，往往存在混合时间长(5～50 ms)、混合不均匀，颗粒粒径分布不均等问题，难以满足大批量的生产需求。
臭氧是一种绿色、高效、无二次污染的氧化剂。臭氧对污染物的氧化作用可以分为以臭氧分子直接攻击污染物的直接氧化作用和以催化产生的羟基自由基间接攻击污染物的间接氧化作用。臭氧的直接氧化与间接氧化作用能够有效地将有机物矿化成小分子物质，从而提高废水的可生化性。基羟基自由基作为一种强氧化基团，能够无选择性的将废水中的有机物降解成小分子化合物。文献中报道，纳米零价铁及Fe2+均可以催化臭氧产生羟基自由，从而将污染物降解。然而，目前臭氧氧化技术的应用中存在臭氧水溶性差等问题。对于难降解的硝基苯废水，直接用臭氧进行处理也存在臭氧利用率不高、臭氧用量大等问题。
超重力技术(High Gravity Technology, Higee)作为一种新型的过程强化技术，具有混合时间短，混合均匀等优点。超重力技术利用高速旋转的填料床模拟超重力场，在填料高速旋转的过程中对液体有破碎、剪切、撕裂等作用，极大地增大了相间接触面积、加速相界面更新速率，从而大大提高相界传质速率，强化微观混合过程。无论对液-液两相，还是气-液两相流间的微观混合、传质、反应，超重力旋转填料床均有着传统搅拌器无法比拟的优势。
发明内容
针对目前纳米零价铁制备过程繁杂、不易放大，直接用臭氧作用硝基苯废水时臭氧利用率不高、用量大等问题，本实用新型旨在提供一种可连续化、便于工程化放大的超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置，包括撞击流-旋转填料床，撞击流-旋转填料床包括撞击流装置和旋转填料床，旋转填料床外壳设有进液口、出液口、进气口和出气口，撞击流装置从顶部进液口进入旋转填料床，旋转填料床内设上部反应区和下部反应区，上部反应区为含亚铁铁盐硝基苯废水溶液和KBH4或NaBH4水溶液的液-液反应区，下部反应区为含苯胺废水与臭氧的气-液反应区，上、下部反应区内分别设置同轴的填料转子，上下部反应区之间设置受液装置，下部反应区最上方设置出气口，进气口通过气体流量计与臭氧发生器相连，臭氧发生器连接氧气瓶;出气口与尾气处理装置连接，
撞击流装置为底部开有对向喷嘴Ⅲ、喷嘴Ⅳ的进料管Ⅲ和进料管Ⅳ，进料管Ⅲ和进料管Ⅳ分别通过泵Ⅳ和泵Ⅴ与储存含亚铁铁盐硝基苯废水溶液储液槽Ⅴ和储存KBH4或NaBH4水溶液的储液槽Ⅵ连接，进料管Ⅲ和进料管Ⅳ与泵Ⅳ和泵Ⅴ之间分别设有液体流量计Ⅲ和流量计Ⅳ，出液口设在撞击流-旋转填料床Ⅲ底部，并通向储液槽Ⅶ。
所述的受液装置为锥形受液板，锥形受液板底部为圆形平盘，平盘上均布有若干布液孔，锥形受液板外沿与旋转床外壳连接。
所述锥形受液板倾角为5°～45°，所述锥形受液板底部圆形平盘开孔率为30%～60%。
气-液反应区的填料转子内侧具有为斜面，斜面上设有与斜面成角度的若干带孔斜板。
气-液反应区的填料转子内侧斜面与垂直面设计角度为15°～45°，带孔斜板与斜面设计角度60°～90°。
基于上述的超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水的装置完成的超重力强化纳米零价铁-臭氧法深度处理硝基苯废水方法：含亚铁铁盐硝基苯废水溶液和KBH4或NaBH4水溶液分别由泵泵Ⅳ和泵Ⅴ经液体流量计Ⅲ和流量计Ⅳ计量后从进料管Ⅲ和进料管Ⅳ打入撞击流装置，经撞击流装置的喷嘴Ⅲ和喷嘴Ⅳ高速喷出后进行初次快速碰撞、混合、反应，随后液体进入高速旋转的填料转子Ⅱ进行二次深度混合反应;液-液两相混合反应完成后成为含苯胺废水，含苯胺废水被甩至旋转床外壳内壁，在重力作用下沿内壁流至受液装置，由布液孔再分布到填料转子Ⅲ内侧带孔斜板上;含苯胺废水在离心力的作用下被甩到填料转子Ⅲ中并由内向外甩出，臭氧由进气口进入，与含苯胺废水在填料转子Ⅲ内进行逆流或错流接触;完成气-液两相间传质、反应后，臭氧尾气从出气口排出，降解后的废水则由出液口排出至储液槽Ⅶ。
制备纳米零价铁的反应式为：
纳米零价铁还原硝基苯的反应式为：
纳米零价铁及Fe2+催化臭氧产生羟基自由基的反应式为：
所述硝基苯废水的浓度为50～500 mg·L-1，所述可溶性亚铁盐硝基苯废水溶液中亚铁的浓度为硝基苯废水中硝基苯的浓度的20～30倍;所述KBH4或NaBH4水溶液的浓度为所选可溶性亚铁盐硝基苯废水溶液中亚铁的浓度的2～4倍，所述气相臭氧浓度为10～100mg·L-1，所述含苯胺废水与臭氧体积流量之比为500～2000 L·m-3，所述可溶性亚铁盐为氯化亚铁、硝酸亚铁或硫酸亚铁，所述含亚铁盐硝基苯废水溶液的初始pH值为2.0～9.0。
本实用新型将纳米零价铁还原与臭氧氧化相结合，先将难降解的硝基苯还原成易降解的苯胺，再利用纳米零价铁及纳米零价铁还原硝基苯过程中产生的Fe2+催化臭氧产生羟基自由基对苯胺进行降解，从而实现对硝基苯废水的深度处理。还原及氧化过程均在超重力装置的强化下进行。利用超重力旋转填料床快速、高效的混合传质特点，对纳米零价铁还原及臭氧氧化过程进行了强化，实现了快速、高效、连续化纳米零价铁-臭氧氧化法深度处理硝基苯废水。利用本法处理硝基苯废水，工艺简单、成本低廉、快速高效。
本实用新型的有益效果是：
1、采用超重力技术在线制备纳米零价铁并同步处理硝基苯废水，避免了传统搅拌器以“滴加”的方式进料，混合迅速均匀，反应快速充分，方法操作简便，可连续化运行。
2、采用超重力技术在线制备纳米零价铁并同步处理硝基苯废水，在纳米零价铁的制备过程中实现对硝基苯废水的还原，缩短了反应时间，避免了传统方法里纳米零价铁制备过程中的洗涤、分离、干燥、储存等繁杂操作，变多步为一步，极大地简化了制备及使用步骤;改变了纳米零价铁与硝基苯废水反应时的晶粒状态(如图3所示)，纳米零价铁晶粒在成核初期及生长过程中即与硝基苯发生还原反应，避免了常规方法中纳米零价铁以大颗粒状态与硝基苯反应，纳米零价铁的利用率更加充分，常规纳米零价铁还原硝基苯时，纳米零价铁的剂量浓度为硝基苯废水中硝基苯的浓度的100～200倍，本方法中换算成纳米零价铁的剂量浓度为硝基苯废水中硝基苯的浓度的20～30倍。
3、采用超重力技术强化了臭氧在水中的传质，并利用纳米零价铁还原硝基苯过程中所产生的纳米零价铁及Fe2+来催化臭氧氧化，在不添加额外药剂的同时，提高了臭氧利用率和氧化效率，有效地降低了处理成本。
4、采用超重力装置，设备体积小、安装简单、开停车方便，可连续化运行，适合处理批量大、处理任务重的硝基苯废水处理。
5、将液-液两相充分混合反应后随即进行气-液两相反应集成到同一台装置中，实现集成设计，有效减小了设备占地空间。下部填料转子内侧斜面设计，有利于接受从受液装置作为液体再分布器分布下来的液体。利用本实用新型装置可以实现两股原始物料的混合配液，随后进行吸收反应的过程强化。也可以实现先进行原始物料的混合反应，再进行气-液两相间的传质反应的过程强化。