一種降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置，儲液池與蠕動泵管路相連，蠕動泵與反應器的底部管路相連，在反應器中設置反應填充柱并在其上下端面處設置第一布水隔板和第二布水隔板，在反應器的外部設置保溫單元，反應器的頂端通過管路分別與出流管和回流管相連，反應器的頂端通過回流管與儲液池相連，在反應器的垂直方向上自下向上依次設置第一取樣口、第二取樣口和第三取樣口。采用本實用新型的結構，能夠將含有多氯聯(lián)苯的溶液循環(huán)經(jīng)過反應填充柱的處理，對于水環(huán)境中持久性污染物PCB有很高的降解率，且處理成本較低，不造成二次污染。
【專利說明】一種降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于水環(huán)境污染的修復【技術領域】，更加具體地說，涉及水環(huán)境中多氯聯(lián)苯類物質的無害化處理，具體為一種利用Ni—Fe雙金屬納米顆粒降解水環(huán)境中多氯聯(lián)
苯的裝置。
【背景技術】
[0002]多氯聯(lián)苯(PolychlorinatedBiphenyls,簡稱PCBs)是環(huán)境中一種典型的持久性有機污染物。由于它具有較高的化學惰性、熱穩(wěn)定性、阻燃性、導熱性和絕緣性，曾廣泛應用于電力工業(yè)、塑料加工業(yè)、化工和印刷等領域。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計報道，自上個世紀20年代開始生產以來，至80年代末，全世界共生產了約2X 107t工業(yè)PCBs，其中約31%排放到環(huán)境中。由于PCBs具有生物積累性和“三致”作用，使其能夠在全球范圍內長距離遷移，并且在其遷移、轉化過程中，可被生物富集放大，其濃度水平可能提高數(shù)十倍甚至上百倍，對生態(tài)環(huán)境和人體健康產生極大的威脅。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署將其列為全球優(yōu)先控制的12種持久性有毒有機污染物之一，并且大多數(shù)工業(yè)化國家在20世紀70年代后，已經(jīng)停止生產多氯聯(lián)苯，但是由于其性質穩(wěn)定，不易在環(huán)境中降解，多氯聯(lián)苯對環(huán)境的污染還將持續(xù)很長一段時間。
[0003]鑒于PCBs在水體中存在的普遍性，近十幾年來國內外學者針對PCBs的降解開展了一系列的研究，研究表明，PCBs降解的關鍵步驟是脫氯反應，采用的方法主要有氫化法、氯解法、硫化還原法和金屬還原法等。其中，利用金屬還原法處理多氯聯(lián)苯是目前最活躍的一項研究技術，具有很大的潛能，在國外甚至被認為是最有應用前景的方法之一。零價金屬由于具有很強的還原性，且廉價易得，因此可作為還原劑，使多氯聯(lián)苯脫去氯原子，從而降低多氯聯(lián)苯的毒性。常用的零價金屬有鐵、鋁、鎂、鋅和錫等，在眾多零價金屬中利用零價鐵及其化合物還原去除鹵化有機物和多氯聯(lián)苯的研究最多，且鐵對于環(huán)境是沒有危害的，所以成為比較常用的多氯聯(lián)苯催化脫氯方法。
[0004]金屬還原法在去除水環(huán)境中多氯聯(lián)苯方面具有較好的應用前景。Grittini研究表明，在常溫常壓條件下零價鐵一般很難與多氯聯(lián)苯發(fā)生反應，但如果使用Pd/Fe組合就可以使多氯聯(lián)苯快速還原脫氯。其中Pd起到了催化脫氯的作用。由于Pd的價格昂貴，可以考慮用Ni代替Pd作為催化劑，也可達到較高的降解水平。Ni/Fe雙金屬納米顆粒成本較低，制備工藝簡單易控，反應條件溫和，去除多氯聯(lián)苯速率高，反應時間也比單質鐵縮短了不少，因此Ni/Fe雙金屬納米顆粒在處理水環(huán)境中PCBs時具有較大的應用前景。為了增加Ni/Fe雙金屬納米顆粒降解水環(huán)境中污染物質的應用性，設計了一種填充柱可循環(huán)式反應器，將Ni/Fe雙金屬納米顆粒固定在填料中間，避免了雙金屬納米顆粒摻雜在水體中，弓丨起二次污染，這種裝置具有較大的應用前景。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，針對含有多氯聯(lián)苯的水體，提供一種利用Ni—Fe雙金屬納米顆粒降解多氯聯(lián)苯的方法,將Ni/Fe雙金屬納米顆粒固定化之后，提供一種更有應用價值的裝置。
[0006]本實用新型的技術目的通過下述技術方案予以實現(xiàn):
[0007]一種利用Ni—Fe雙金屬納米顆粒降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置，包括儲液池，蠕動泵，第一布水隔板，第二布水隔板，反應填充柱，保溫單元，出流管，回流管和反應器，其中:
[0008]所述儲液池與蠕動泵管路相連，所述蠕動泵與反應器的底部管路相連；
[0009]在所述反應器中設置反應填充柱，并在所述反應填充柱的下端面處設置第一布水隔板，在所述反應填充柱的上端面處設置第二布水隔板；
[0010]在所述反應器的外部設置保溫單元，其利用溫度傳感器和加熱熱電偶對設置有反應填充柱的反應器進行加熱和溫度控制，以使反應填充柱的溫度基本保持穩(wěn)定；
[0011]所述反應器的頂端通過管路分別與出流管和回流管相連，所述反應器的頂端通過回流管與儲液池相連。
[0012]在上述反應裝置中，在反應器的垂直方向上自下向上依次設置第一取樣口、第二取樣口和第三取樣口，所述第一取樣口設置在第一布水隔板的下方、第二取樣口設置在反應填充柱的中間和第三取樣口設置在第二布水隔板的上方，以便對流經(jīng)反應器的水進行取樣檢測。
[0013]在上述反應裝置中，所述反應填充柱占整個反應器體積的3/5 — 2/3，采用Ni—Fe雙金屬納米顆粒和石英砂混合均勻而成，其中所述Ni—Fe雙金屬納米顆粒和石英砂的混合體積比為1: (8 —12)，優(yōu)選采用機械攪拌方式進行混合；所述石英砂為60— 80目，所述Ni一Fe雙金屬納米顆粒的顆粒為40—70nm,比表面積為25—35m2/g,按照下述步驟進行制備:
[0014]步驟1，將5質量份的PVP溶于去離子水中，得到質量體積濃度為10%的PVP溶液；
[0015]步驟2，稱取NiCl2.6H20溶于去離子水中，得NiCl2溶液；
[0016]步驟3，取步驟I得到的PVP溶液和步驟2得到的NiCl2溶液，再加入去離子水和乙醇，得到混合溶液，并通入惰性氣體后除氧，其中步驟I得到的PVP溶液、步驟2得到的NiCl2溶液、去離子水和乙醇的體積比為(7-8):1: (20-22):20，優(yōu)選7.5:1:21.5:20，所述惰性氣體選擇氮氣、氬氣或者氦氣，除氧時間為20— 30min ；
[0017]步驟4，稱取FeSO4.7H20加入步驟3得到的混合溶液中，充分溶解，選擇在轉速為1500—2000r/min的機械攪拌條件下混勻15 — 20min，使得FeSO4.7H20粉末充分溶解；
[0018]步驟5，向步驟4中得到的溶液中滴加NaBH4溶液，在15—20min內完成滴加，滴加結束后在轉速為1500— 2000r/min的機械攪拌條件下攪拌20— 30min，所述NaBH4溶液為
0.12—0.13g的NaBH4粉末溶于IOml的體積百分數(shù)40%乙醇水溶液中，攪拌均勻后得到；
[0019]步驟6，攪拌結束后，用磁選法收集后洗滌干燥，即可得到Ni—Fe雙金屬納米顆粒;
[0020]其中Fe2+和BH4+的摩爾比例1:2，為使還原反應充分進行，優(yōu)選過量的NaBH4溶液；所述鎳的用量為二價鐵(即鐵元素)質量的2%一5% ;在上述技術方案中一步實現(xiàn)如下整個反應過程:[0021]Fe2++6H20+2B!V — Fe 丨 +2Be (OH) 3+7H2 f
[0022]Ni2++6H20+2BH4_ — Ni 丨 +2Be (OH) 3+7H2 f
[0023]在這一過程中，由于元素鎳的添加量較少且體系在持續(xù)機械攪拌的條件下進行充分混合和反應，在滴定反應結束后，即可形成鎳和鐵的復合納米顆粒。金屬Ni起催化劑的作用，可以加快零價鐵的脫氯效率，通常選用廉價易得的Ni/Fe雙金屬納米顆粒降解多氯聯(lián)苯。選用的液相還原法具有操作簡單，過程可控性強，成本也較低等優(yōu)點，通常選用硼氫化鈉液相還原法制備Ni/Fe雙金屬納米顆粒,但制備出的納米顆粒易發(fā)生團聚,影響降解效率，所以在液相制備過程中添加穩(wěn)定劑PVP(K30)，PVP(K30)既能防止納米粒子的團聚，也不會對雙金屬體系的降解過程產生影響。
[0024]在上述反應裝置中，所述反應裝置整體上是密閉的，以免氧氣進入反應裝置內，對N1-Fe雙金屬納米顆粒造成氧化，導致反應速率大大降低。
[0025]在上述反應裝置中，所述出流管和回流管通過三通閥進行連接。
[0026]在上述反應裝置中，所述第一布水隔板和第二布水隔板上均勻分布布水孔，所述布水孔的孔徑為0.01mm—0.3mm ;為防止石英砂和N1-Fe雙金屬納米顆粒的滲漏，在所述第一布水隔板和第二布水隔板的與反應填充柱接觸的一面上設置紗布；所述第一布水隔板和第二布水隔板的材質均為有機玻璃,厚度為3—5mm。
[0027]利用上述反應裝置降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的方法，按照下述步驟進行:
[0028]步驟1，將含有多氯聯(lián)苯的溶液置于儲液池中，并開啟蠕動泵；
[0029]步驟2，所述含有多氯聯(lián)苯的溶液由反應器底部進入，經(jīng)由布水裝置均勻布水之后,通過反應填充柱；
[0030]步驟3，調整三通閥的狀態(tài)，以使含有多氯聯(lián)苯的溶液經(jīng)由回流管回流至儲液池中；
[0031]步驟4，重復上述步驟以使含有多氯聯(lián)苯的溶液在反應器中進行循環(huán)，并通過取樣口分析多氯聯(lián)苯的去除效果；
[0032]步驟5，當多氯聯(lián)苯的去除效果達到預設要求時，調整三通閥的狀態(tài)，以使溶液由出流管流出。
[0033]在上述方案中，通過調節(jié)蠕動泵的流量調節(jié)溶液在反應填充柱中的水力停留時間，每個循環(huán)的水力停留時間為60min — 90min，整個反應的總水力停留時間為48— 72h。
[0034]在上述方案中，通過保溫單元控制整個反應在恒溫下運行，溫度為30— 40°C。
[0035]在上述方案中，所述含有多氯聯(lián)苯的溶液中，多氯聯(lián)苯的濃度為3mg/L—5mg/L。
[0036]在上述方案中，在所述反應裝置中，包括反應器、儲液池、反應填充柱及其管路都預
[0037]先使用惰性氣體(如氮氣、 氦氣、氬氣)進行排氧。
[0038]本實用新型利用Ni/Fe雙金屬納米顆粒，高效降解水環(huán)境中的多氯聯(lián)苯污染物，采用填充柱循環(huán)式反應器，流程簡單，可控性強，成本也較低。本實用新型提出的一種利用Ni/Fe雙金屬納米顆粒降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的方法,將Ni/Fe雙金屬納米顆粒固定在石英砂填料內，多氯聯(lián)苯乙醇一水溶液連續(xù)通過填料時，雙金屬對多氯聯(lián)苯進行脫氯還原。
【專利附圖】

【附圖說明】[0039]圖1是本實用新型一種利用Ni—Fe雙金屬納米顆粒降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置的結構示意圖，其中I為儲液池，2為蠕動泵，3 -1為第一布水隔板，3 — 2為第二布水隔板，4為反應填充柱,5為保溫單元(系統(tǒng))，6為出流管,7為回流管,8為三通閥,9 — I為第一取樣口，9 一 2為第二取樣口，9 一 3為第三取樣口，10為反應器。
[0040]圖2是本實用新型中使用的布水隔板的結構示意圖，11為布水孔。
[0041]圖3是利用本實用新型的裝置進行降解PCB77乙醇一水溶液時的效果圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結合具體實施例進一步說明本實用新型的技術方案。
[0043]如附圖1一2所示，利用Ni—Fe雙金屬納米顆粒降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置，包括儲液池，蠕動泵，第一布水隔板，第二布水隔板，反應填充柱，保溫單元，出流管，回流管和反應器，其中:
[0044]所述儲液池與蠕動泵管路相連，所述蠕動泵與反應器的底部管路相連；
[0045]在所述反應器中設置反應填充柱，并在所述反應填充柱的下端面處設置第一布水隔板，在所述反應填充柱的上端面處設置第二布水隔板；
[0046]在所述反應器的外部設置保溫單元，其利用溫度傳感器和加熱熱電偶對設置有反應填充柱的反應器進行加熱和溫度控制，以使反應填充柱的溫度基本保持穩(wěn)定；
[0047]所述反應器的頂端通過管路分別與出流管和回流管相連，所述反應器的頂端通過回流管與儲液池相連。
[0048]在上述反應裝置中，在反應器的垂直方向上自下向上依次設置第一取樣口、第二取樣口和第三取樣口，所述第一取樣口設置在第一布水隔板的下方、第二取樣口設置在反應填充柱的中間和第三取樣口設置在第二布水隔板的上方，以便對流經(jīng)反應器的水進行取樣檢測。
[0049]在上述反應裝置中，所述反應裝置整體上是密閉的，以免氧氣進入反應裝置內，對N1-Fe雙金屬納米顆粒造成氧化，導致反應速率大大降低。所述出流管和回流管通過三通閥進行連接。所述第一布水隔板和第二布水隔板上均勻分布布水孔，所述布水孔的孔徑為
0.1mm一0.3mm ;為防止石英砂和N1-Fe雙金屬納米顆粒的滲漏,在所述第一布水隔板和第二布水隔板的與反應填充柱接觸的一面上設置紗布；所述第一布水隔板和第二布水隔板的材質均為有機玻璃，厚度為3—5mm。
[0050]在上述反應裝置中，所述反應填充柱占整個反應器體積的3/5 — 2/3，采用Ni—Fe雙金屬納米顆粒和石英砂混合均勻而成，其中所述Ni—Fe雙金屬納米顆粒和石英砂的混合體積比為1: (8 —12)，優(yōu)選采用機械攪拌方式進行混合；所述石英砂為60— 80目，所述Ni一Fe雙金屬納米顆粒的顆粒為40—70nm,比表面積為25—35m2/g,按照下述步驟進行制備:
[0051](I)將5gPVP(K30)溶于去離子水中，通過磁力攪拌充分混勻，定容至50ml,得到質量體積濃度為10%的PVP溶液。
[0052](2)稱取計量量的NiCl2.6H20粉末，溶于去離子水中，得其標準溶液。
[0053]NiCl2.6H20粉末的質量由Ni/Fe決定，即鎳的使用量為鐵質量的2—5%，其計量量相當于每毫升標準溶液中溶解NiCl2.6H20粉末的質量在0.00168—0.0042的范圍內。NiCl2.6H20與FeSO4.7H20的關系如下表:
[0054]
【權利要求】
1.一種降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置，其特征在于，所述裝置整體上是密閉的，包括儲液池，蠕動泵，第一布水隔板，第二布水隔板，反應填充柱，保溫單元，出流管，回流管和反應器，其中: 所述儲液池與蠕動泵管路相連，所述蠕動泵與反應器的底部管路相連；在所述反應器中設置反應填充柱，并在所述反應填充柱的下端面處設置第一布水隔板，在所述反應填充柱的上端面處設置第二布水隔板；在所述反應器的外部設置保溫單元；所述反應器的頂端通過管路分別與出流管和回流管相連，所述反應器的頂端通過回流管與儲液池相連；在反應器的垂直方向上自下向上依次設置第一取樣口、第二取樣口和第三取樣口，所述第一取樣口設置在第一布水隔板的下方、第二取樣口設置在反應填充柱的中間和第三取樣口設置在第二布水隔板的上方。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置，其特征在于，所述反應填充柱占整個反應器體積的3/5 — 2/3。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置，其特征在于，所述出流管和回流管通過三通閥進行連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置，其特征在于，所述第一布水隔板和第二布水隔板上均勻分布布水孔，所述布水孔的孔徑為0.0lmm—0.3mm，所述第一布水隔板和第二布水隔板的厚度為3 — 5mm。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種降解水環(huán)境中多氯聯(lián)苯的裝置，其特征在于，在所述第一布水隔板和第二布水隔板上的與反應填充柱接觸的一面上設置紗布。
【文檔編號】C02F1/70GK203754481SQ201420011047
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權日:2014年1月2日
【發(fā)明者】趙林, 呂倩倩, 丁舒, 毛國柱, 齊云 申請人:天津大學