Fenton process enhanced by metal sulfide for treating the actual evaporated mother liquid of gas field wastewater

金屬硫化物強(qiáng)化芬頓法處理實(shí)際氣田廢水蒸發(fā)母液的研究  

來(lái)源： Water Reuse Vol 13 No 2

《水資源再利用》，第13卷第2期

 

 

摘要內(nèi)容：  

摘要研究了四種金屬硫化物（CuS、ZnS、MoS?、WS?）強(qiáng)化芬頓法處理氣田廢水蒸發(fā)母液（EML-GFW）。在初始pH=3.0、FeSO?·7H?O:ZnS:H?O?投加比例為30 g/L:10 g/L:1.2 mol/L時(shí)，F(xiàn)enton/ZnS工藝對(duì)總有機(jī)碳（TOC）去除率最高達(dá)74.5%。有機(jī)組分分析表明N,N-二甲基乙醇胺（DMEA）是主要特征污染物。機(jī)理研究表明，ZnS在光照下產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，促進(jìn)Fe3?還原為Fe2?，加速·OH生成，從而提升TOC去除效率。該研究為氣田廢水工程化處理提供了理論支撐。  

 

研究目的：  

處理高鹽難降解的氣田廢水蒸發(fā)母液（EML-GFW），解決傳統(tǒng)方法（吸附、氣浮、混凝等）因高鹽導(dǎo)致的膜污染、設(shè)備結(jié)垢及微生物失活問(wèn)題，提升有機(jī)污染物礦化效率。  

 

研究思路：  

篩選最佳金屬硫化物（CuS/ZnS/MoS?/WS?）強(qiáng)化芬頓工藝（圖2）  

 

 

優(yōu)化Fenton/ZnS工藝參數(shù)：反應(yīng)時(shí)間（圖3a）、初始pH（圖3b）、H?O?投加量（圖3c）、FeSO?·7H?O投加量（圖3d）、ZnS投加量（圖3e）  

 

通過(guò)實(shí)際廢水（表1水質(zhì)數(shù)據(jù)）和模擬廢水（DMEA）探究機(jī)理：

 

 

分析反應(yīng)后有機(jī)物組成（GC-MS）  

 

叔丁醇淬滅實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證·OH作用（圖4）  

 

 

光照/避光對(duì)比實(shí)驗(yàn)（圖5）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

TOC去除率（核心指標(biāo)）  

 

來(lái)源：圖2（不同硫化物對(duì)比）、圖3（參數(shù)優(yōu)化）  

 

意義：直接反映有機(jī)污染物礦化效率，74.5%的去除率證明工藝有效性  

 

有機(jī)組分（GC-MS分析）  

 

來(lái)源：圖1（不同批次EML-GFW成分）、反應(yīng)后產(chǎn)物分析  

 

意義：明確DMEA為特征污染物（占主導(dǎo)且難降解），指導(dǎo)模擬廢水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)  

 

DMEA濃度變化  

 

來(lái)源：淬滅實(shí)驗(yàn)（圖4）、光照實(shí)驗(yàn)（圖5）  

 

意義：驗(yàn)證·OH的主導(dǎo)作用及光照對(duì)ZnS催化活性的影響  

 

pH數(shù)據(jù)（丹麥unisense電極測(cè)量）  

 

來(lái)源：全程實(shí)驗(yàn)（尤其圖3b優(yōu)化）  

 

意義：控制反應(yīng)環(huán)境（pH=3.0最佳），影響鐵形態(tài)分布及·OH生成動(dòng)力學(xué)  

 

丹麥unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀：  

使用丹麥unisense微電極系統(tǒng)（型號(hào)mmm 7221）精確測(cè)量pH值。其研究意義在于：  

控制關(guān)鍵反應(yīng)條件：芬頓反應(yīng)強(qiáng)烈依賴酸性環(huán)境（pH=2.0-4.0），該電極確保初始pH精確調(diào)至3.0（圖3b顯示此pH下TOC去除率最高）  

 

避免鐵沉淀：pH>4時(shí)Fe3?水解生成Fe(OH)?沉淀（降低催化活性），高精度pH監(jiān)測(cè)防止此現(xiàn)象  

 

減少自由基淬滅：pH過(guò)低（如pH=2.0）時(shí)H?會(huì)淬滅·OH，電極數(shù)據(jù)幫助避開不利區(qū)間  

 

保證實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性：所有批次實(shí)驗(yàn)（尤其實(shí)際廢水處理）需嚴(yán)格統(tǒng)一pH條件，該電極提供實(shí)驗(yàn)室級(jí)精度支撐  

 

結(jié)論：  

ZnS是強(qiáng)化芬頓的最佳硫化物，在pH=3.0、FeSO?·7H?O 30 g/L、ZnS 10 g/L、H?O? 1.2 mol/L條件下，EML-GFW的TOC去除率達(dá)74.5%（圖3）  

 

DMEA是EML-GFW中持續(xù)存在的特征污染物（圖1）  

 

機(jī)理：ZnS光照產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，促進(jìn)Fe3?→Fe2?循環(huán)（圖6），加速·OH生成（淬滅實(shí)驗(yàn)圖4證實(shí)），光照下TOC去除率比避光高18.8%（圖5）  

 

 

該工藝為高鹽難降解氣田廢水工程化處理提供技術(shù)路徑