废水中细颗粒物过滤去除机理研究及应用
发布时间：2020-06-02 22:31
【摘要】：工业废水量大面广、成分复杂,包含了工业生产原料、中间产物等分子态污染物、反应过程夹带的催化剂等固态颗粒物以及设备滴漏的油相不溶物等不同尺度的细颗粒物。这导致了影响废水分离的因素较多,分离过程非常复杂。同时,废水中细颗粒物的高效分离对改善以煤化工为主的新能源出现的气候变化、环境破坏等问题发挥着重要的作用。预涂过滤对复杂成分污水的细颗粒物去除、回收展现了其广阔的前景,属于该领域的研究热点。但是应用传统宏观评价方法研究复杂的过滤过程已难以满足现代分离发展的要求。本文开发了快速、定量研究过滤过程中分离多尺度细颗粒物的检测方法。基于表面增强拉曼光谱技术(SERS)的快速现场检测优势,发挥微流控技术作为基础研究工具的特长,针对废水中细颗粒物的复杂成分,研究了过滤过程中出现的不同组分的分离过程：溶解态分子的吸附过程、油水两相在颗粒物之间形成的微通道内的萃取过程及固体颗粒在预涂层内的过滤截留过程。制备了具有SERS活性的多孔微球,开发了单颗粒表面吸附污染物现场定量检测方法；设计的动态层流萃取系统,实时监测了萃取过程中不同阶段油／水界面离子运动情况；设计的新型SERS纳米示踪器,检测了预涂过滤过程中过滤悬浮液中颗粒的运动轨迹,并进一步将快速检测方法应用于实际生产过程中。取得了如下研究进展：(1)制备具有SERS活性的多孔微球利用紫外光通过“一步法”同时完成固化聚合单体、还原包裹在乳液单体中的H202及还原单体周围的硝酸银,制备了具有良好的SERS活性的多孔微球。首先采用自制的微流控毛细玻璃管装置先制备O/W乳液模板,通过精确调控H202的浓度来控制生成H20及O2的速度,使得乳液模板固化的同时还原的02从模板中逸出,从而在微球表面及内部形成各种交联错杂的微纳孔道,制备的多孔微球平均孔径为4μm,比表面积高达31 m2/g。在形成多孔微球的同时原位还原硝酸银生成的银纳米颗粒沉积在多孔微球表面,使其具有良好的SERS活性,SERS增强因子(EF)达3.8×106。功能化的多孔微球为单颗粒表面污染物的现场定性、半定量快速检测奠定了基础。(2)在线定量检测吸附在单颗粒表面的污染物选取一个典型的分离过程：动态旋流吸附过程作为实验室研究系统,首次实现了SERS技术的单颗粒表面污染物在纳克级别的定量检测。首先,应用制备的具有SERS活性的多孔微球在旋流吸附工艺中完成吸附过程,通过便携式拉曼光谱仪现场检测并获取微球表面污染物的SERS光谱。其次,通过物料平衡计算得到吸附在单位质量多孔微球上的污染物质量。最后,建立一条污染物特征峰处SERS强度与多孔微球表面吸附的污染物质量的双对数曲线,通过该标定曲线可以现场实时检测单颗粒表面污染物。将上述快速检测方法应用于实际工业生产检测中,检测得到单个多孔颗粒表面吸附联苯胺的量为7.8 ng,进一步验证了单颗粒表面污染物的定量检测方法,为工业生产中颗粒表面定性、定量检测提供了一个简单、快速的现场检测方法。(3)基于SERS技术在线监测动态层流萃取过程结合微流控及SERS技术在线监测了动态层流萃取过程。基于氯离子对银纳米颗粒的促团聚作用,发挥微流控技术中层流扩散体系对氯离子萃取时间的精确控制及萃取过程的精细剖分定位,通过R6G特征峰处的SERS强度来在线监测层流扩散系统中不同扩散时间、不同扩散位置的氯离子浓度变化,从而实现氯离子萃取过程的实时检测及氯离子动力学的研究。同时,通过改变油相中氯离子浓度、萃取条件实现了氯离子萃取效率的调控。建立的动态层流萃取在线检测方法,同样适用于能够引起金、银纳米颗粒团聚的其他离子,为提高工业生产中提高油水萃取效率提供强有力的理论支持及技术指导。(4)预涂过滤过程SERS检测及调控通过微流控装置小试及中试实验,结合SERS技术研究了影响预涂压滤过程的因素及调控方法。在经典的过滤过程中引入助滤剂进行前期预涂,以此来调控过滤过程中滤饼的比阻,解决经典过滤过程中因滤饼比阻增大过快而导致过滤快速终止的难题。同时引入SERS技术用来检测过滤颗粒在不同预涂层中随着过滤液运动的轨迹,确定最佳助滤剂中位粒径,最佳预涂厚度及最佳预涂悬浮液质量浓度。过滤液含固量可达到100 ppm以内。通过小试实验研究结合中试放大实验,成功开发预涂过滤分离技术,并将该技术应用于甲醇制烯烃催化剂回收工程中。
【图文】：
新的革命性道路＂。因此，如何提高分离过程效率及降低分离能耗是解决当前能源短缺、逡逑环境污染问题的关键，也是应对未来能源可持续发展的机遇与挑战Ｗ。逡逑煤化工生产为例，图１．１为典型的甲醉制稀怪（ＤＭＴＯ）生产工艺流程简图逡逑甲醇在催化剂作用下生成反应气，反应气与催化剂在反应器和再生器出口进行初分离。逡逑由于反应产物中含水比例较大，反应产物携带催化剂粉末、水蒸气进入急冷塔、水洗塔，逡逑急冷水对反应气进行冷却并进一步分离携带的催化剂，冷凝后的重姐分同时被分离。催逡逑化剂被水洗塔洗涂后单独引出并进行液固分离。反应产物经水洗塔后进入后续分离程序逡逑逐级分离得到不同的产品。在整个生产过程中，至少需要２５种Ｗ上的分离过程，包括：逡逑旋流分离、过滤分离、离必分离等场分离过程及精溜、萃取、吸附等传质分离过程。逡逑‘。。逡逑下逦￣心＾——？Ｃ３０逡逑Ｉ逦Ｍｅｔｈａｎｏｌ逦＞〔２邋０逡逑Ａｉｒ逦Ｉ逦？巧执分逡逑图１．１甲醇制病炫（ＤＭＴＯ）工苦流程图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｆｌｏｗ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＤＭＴＯ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑上述实例充分说明了分离过程在煤化工、石油化工生产中的重要性。提高分离效率、逡逑
（譬如球形纳米颗粒）时，称之为局域表面等离激元（ＬＳＰＲ）。１９７８年，ＭｏｓｋｏｖｉｔｓＰ７ｌ逡逑等人通过理论和实验证明，粗糖Ａｇ电极表面得到的增强拉曼信号归功于表面等离激元。逡逑具体示意图如图１．４所示，，当具有一定频率的入射光照射在金属纳米颗粒表面时，金属逡逑表面的电子会发生震荡，当电子震荡的频率与入射光频率恰巧匹配时，二者就会发生共逡逑振效应，使得金属表面的局部电磁场X椙浚佣芮康模樱牛遥覺椙啃вΑｅ义希铃危洛濉鲥危牛睿瑁浚睿悖洌睿停驽澹停溴危义希у澹В裕隋危。祝埽粒蝈澹澹澹澹В粒颍驽义希危埽遥澹悖簦颍椋沐危橐灰诲巍蹂义稀！义希捎遥停铮耄妫悖酰脲
本文编号：2693858
【图文】：
新的革命性道路＂。因此，如何提高分离过程效率及降低分离能耗是解决当前能源短缺、逡逑环境污染问题的关键，也是应对未来能源可持续发展的机遇与挑战Ｗ。逡逑煤化工生产为例，图１．１为典型的甲醉制稀怪（ＤＭＴＯ）生产工艺流程简图逡逑甲醇在催化剂作用下生成反应气，反应气与催化剂在反应器和再生器出口进行初分离。逡逑由于反应产物中含水比例较大，反应产物携带催化剂粉末、水蒸气进入急冷塔、水洗塔，逡逑急冷水对反应气进行冷却并进一步分离携带的催化剂，冷凝后的重姐分同时被分离。催逡逑化剂被水洗塔洗涂后单独引出并进行液固分离。反应产物经水洗塔后进入后续分离程序逡逑逐级分离得到不同的产品。在整个生产过程中，至少需要２５种Ｗ上的分离过程，包括：逡逑旋流分离、过滤分离、离必分离等场分离过程及精溜、萃取、吸附等传质分离过程。逡逑‘。。逡逑下逦￣心＾——？Ｃ３０逡逑Ｉ逦Ｍｅｔｈａｎｏｌ逦＞〔２邋０逡逑Ａｉｒ逦Ｉ逦？巧执分逡逑图１．１甲醇制病炫（ＤＭＴＯ）工苦流程图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｆｌｏｗ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＤＭＴＯ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑上述实例充分说明了分离过程在煤化工、石油化工生产中的重要性。提高分离效率、逡逑
（譬如球形纳米颗粒）时，称之为局域表面等离激元（ＬＳＰＲ）。１９７８年，ＭｏｓｋｏｖｉｔｓＰ７ｌ逡逑等人通过理论和实验证明，粗糖Ａｇ电极表面得到的增强拉曼信号归功于表面等离激元。逡逑具体示意图如图１．４所示，，当具有一定频率的入射光照射在金属纳米颗粒表面时，金属逡逑表面的电子会发生震荡，当电子震荡的频率与入射光频率恰巧匹配时，二者就会发生共逡逑振效应，使得金属表面的局部电磁场X椙浚佣芮康模樱牛遥覺椙啃вΑｅ义希铃危洛濉鲥危牛睿瑁浚睿悖洌睿停驽澹停溴危义希у澹В裕隋危。祝埽粒蝈澹澹澹澹В粒颍驽义希危埽遥澹悖簦颍椋沐危橐灰诲巍蹂义稀！义希捎遥停铮耄妫悖酰脲
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