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超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究

发布日期:2014-10-22 21:17:43
超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究先容
超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究
超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究,以超声波清洗机和空气泵构成超声曝气组合工艺降解采油废水中黄原胶的反应系统,单因素考察了反应时 间、通气量、超声功率、黄原胶溶液初始浓度以及pH等因素对黄原胶降解效率的影响;并选取黄原胶溶液的pH、超 声功率、通气量和时间进行了正交试验。结果表明,各种因素对黄原胶降解的影响先后为:初始pH、通气量、时间、超 声功率;在pH为2、曝气量为870 L‘h-1、超声功率为300 W以及时间75 min时,废水黄原胶粘度降低可达到97.28%。
黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖 醛酸构成的五糖重复单位,黄原胶分子的一级结构 是由烽(1,4)-糖苷键相连,构成其纤维素主链,间隔 的葡萄糖基上联接由y8-D-甘露糖-p-D-葡萄糖醛 酸-a-D-甘露糖组成的侧链[1],与主链相连的甘露糖 通常由乙酰基修饰,超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究,侧链末端的甘露糖与丙酮酸发生 缩醛反应而被修饰[21。黄原胶的二级结构[3]是侧链绕主 链骨架反向缠绕,通过氢键维系形成棒状双螺旋结 构。黄原胶的三级结构[4]是棒状双螺旋结构间靠微弱 的非共价键结合形成的螺旋复合体。黄原胶具有假塑 流变性、増稠性、稳定性、悬浮性和乳化性等特性。正 是由于黄原胶具有超乎寻常的稳定性,因此大大地増 加了其应用普及度。比如在采油业中,黄原胶应用于 钻井、完井、调剖堵水及3次采油,被喻为“油井的优 质催产素”,但却増加了采油废水的处理难度[5气因 此近年来,对其进行过多种方法的研究,其中有物理 法、化学法、生物法等。化学法过程简单但降解无规 则,易生成单糖,并伴有结构变化和副产物产生%生 物法虽然设备简单,运行费用低,并且较少形成二次 污染,但其降解速度慢,耗时较长[8|;而物理法中的超 声曝气法因具有反应条件温和、工艺简单、操作方便、 节约能源等特点[91,成为目前的研究热点。
本研究采用物理法中的超声曝气法,单因素考 察反应时间、通气量、超声功率、黄原胶溶液初始浓 度以及pH等因素对黄原胶降解效率的影响,旨在
探索一种高效的降解黄原胶的途经。
1试验部分 1.1试验试剂与仪器
试验试剂:盐酸、黄原胶、氢氧化钠、正丁醇等均 为化学纯;试验仪器:分析天平、乌氏粘度计(内径 0.6?0.7 mm)、空气泵、NDWA旋转粘度计、 JCX-500W超声波清洗机、空气流量计。
1.2试验方法
取400 mL去离子水于大烧杯中,称取黄原胶 固体粉末,边倒边搅拌,超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究,然后在冰箱里溶胀12 h (防 止黄原胶被空气中微生物降解),再充分搅拌,然后 在容量瓶中定容。
将一定质量浓度的黄原胶溶液2 L置于5 L锥 形瓶中,控制通气量,调节超声清洗功率,超声作用 一定时间,每隔15 min取一次样,在NDJ4A旋转 粘度计中测定每个样品的旋转粘度,最后再计算粘 度降低率,粘度的降低率表征了黄原胶的降解率[10]。
2结果与讨论
2.1降解黄原胶的影响因素 2.1.1反应时间
在黄原胶质量浓度2.0 g‘L-1、超声功率500 W、 反应溶液pH为6、曝气量870 L*h-1的情况下,研究 反应时间对黄原胶降解反应的影响,结果如图1所 示。从图1中可以看出,随着时间的増加黄原胶溶液 
的动力粘度不断下降,而且下降速率越来越慢,超声 辐射120 min后,动力粘度可以下降到97%,处理溶 液的粘度基本接近蒸馏水的粘度。由变化趋势可以 看出反应进行90 min之后,粘度基本趋于平稳。所
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图3 pH对黄原胶降解效果的影响
Fig.3 Effect of pH on the degradation of xanthan gum
以,试验反应样品取样的终了时间为90 min。
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图丨时间对黄原胶降解效果的影响
Fig. 1 Effect of time on the degradation of xanthan gum
2.1.2曝气量
在黄原胶质量浓度2.0 g‘L-1、超声功率500 W、 反应溶液pH为6的情况下,研究曝气量对黄原胶 降解反应的影响,结果如图2所示。在反应体系中通 入气体,不但起到搅拌作用,超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究,还有利于溶液中空气含 量的増加,増强空化效应[11]。从图2中可以看出,随 着通气量的増加,降解效果也在増加。
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图2曝气置对黄原胶降解效果的影响
Fig.2 Effect of aeration on the degradation of xanthan gum
2.1.3反应液初始pH
在反应溶液中加入0.1 moPL-1的盐酸或者氢 氧化钠溶液,改变溶液的初始pH。在黄原胶质量浓 度2.0 g*L-1、超声功率500 W、曝气量870 L*h-1的情
况下,研究反应溶液初始pH对黄原胶降解率的影 响,结果如图3所示。从图3可知,当反应时间为45 min时,pH为6的黄原胶溶液粘度降低率达到 60%,是pH为12时的3.0倍。由此可见,碱性环境 不利于黄原胶的超声降解。
2.1.4反应液初始质量浓度
在超声功率500 W、反应溶液pH为6、曝气量 870 ^h-1的情况下,研究反应溶液初始质量浓度对黄 原胶降解率的影响,结果如图4所示。由图4可知,在 某一相同的超声辐射时间下,初始质量浓度较低的黄 原胶溶液的粘度去除率较高,消失的速度也较快。早 前的许多研究也均证实了有机物超声降解的程度和 速率都随浓度的増加而减小,主要原因是随着浓度的 增加,溶液的粘度也随之増大,即粘度越高,溶液就越 难以空化,在其它条件给定的情况下,降解效果也就 越小[121。当初始质量浓度为4.0g*L-1时,空化效应不能 .发生,而粘度在120 min内没有发生变化。
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图4初始质量浓度对黄原胶降解效果的影响
Fig.4 Effect of initial concentration on the degradation of xanthan gum
2.1.5超声波功率
黄原胶质量浓度2.0 g*L-1、反应溶液pH为6、 曝气量870 L*h-1的情况下,超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究,研究超声波功率对黄原 胶降解率的影响,结果如图5所示。由图5可知,在 相同条件下,某一时刻黄原胶的粘度降低率随功率
増强而増大,提高作用功率有利于提高黄原胶粘度
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图5功率对黄原胶降解效果的影响
Fig.5 Effect of power on the degradation of xanthan gum
降低率。提高声强度或声功率,可以提高输出至水溶 液中的能量;増大声化学效应,可以提高有机物的降 解效率[13]。超声功率对降解效果的影响与有机物的 性质有关,对亲水性、难挥发的有机物(如黄原胶) 有较大影响[14]。
2.2正交试验
在试验条件的几个单因素中,质量浓度是降粘 效果影响的一个重要因素,但由于黄原胶溶液属于 非牛顿流体[151,测量粘度时会选用不同的转子,动力 粘度会因转子的转速不同而不同,这样带来的粘度 误差就会加大,粘度不具备可比性[16]。所以,本文质 量浓度不作为正交分析的一个因子,选取统一质量 浓度2.0 g*L-1,而选取反应时间、pH、曝气量、功率4 个影响因素作为正交分析的因素,结果如表1所示。
表1正交试验结果 Tab.1 Orthogonal experiment results
编号时间
/minpH曝气量
/Lh-1功率
/W粘度降低率 /%
145229020086.75
245458030077.93
345687050061.79
460258050095.36
560487020067.57
660629030057.35
775287030097.28
875429050075.57
975658020065.22
均值175.49093.13073.22373.180
均值273.42773.69079.50377.520
均值 379.35761.45375.54777.573
极差5.93031.6776.2804.393
由表1可知,各因素对粘度降低率影响的次序 为:pH、曝气量、时间、功率。pH是影响粘度降低率 的主要因素,曝气量、时间、功率对粘度降低率的影 响较小,但是这里要指出通气与不通气对粘度降低 率的影响很大,在单因素试验中可以看出。因此说明 通气作用对于超声降解反应的影响相对于其他因素 是比较强的。因此可知,最佳工艺条件为:pH为2、 曝气量870 L‘h-1、超声功率300 W以及时间75 min其粘度降低率可以达到97.28%。
3超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究结论
单因素考察了反应时间、pH、超声功率、黄原胶 初始质量浓度、曝气量对超声降解黄原胶溶液的影 响。结果表明,较长的反应时间、较高的功率、适中的 曝气量、较低的黄原胶初始质量浓度、酸性溶液初始 pH,有利于提高黄原胶的降粘率,曝气的引入有利 于强化超声降解黄原胶溶液,最大可使黄原胶粘度
降低率提高55%«左右。
正交试验结果表明,各因素对超声曝气降解黄 原胶降解率影响的大小顺序依次为:pH、曝气量、时 间、功率。在初始质量浓度为2.0 g*L-1、pH为2、曝气 量870 L‘h-1、超声功率300 W以及时间75 min的最
佳反应条件下,黄原胶粘度降低率可以达到97.28%。
超声曝气工艺对采油废水的降解,主要是针对 废水中黄原胶的降解,大超声曝气组合工艺降解采油废水黄原胶的研究,大降低了采油废水进一步 处理的难度,使其后续处理工艺更为简便易行。
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