【行恒科技设备助力科研】Fenton-微纳米气泡协同技术,MNBs-FT系统实现刚果红染料废水高效低成本降解!

中国矿业大学研究团队在《Environmental Technology》发表重要成果, 采用上海行恒科技有限公司LF-1500微纳米气泡发生器与Fenton氧化工艺耦合 ,构建了MNBs-FT协同系统。该系统在 中性条件(pH=7) 下对 刚果红(CR)的降解率高达 94.4% ,处理成本仅为传统Fenton法的 约13%,为染料废水处理提供了高效、经济且无需调节pH的创新解决方案。

技术核心:行恒科技设备驱动的协同氧化系统

本研究旨在克服传统Fenton法试剂消耗大、pH应用范围窄、污泥产量多的缺点。研究创新性地水力空化产生的微纳米气泡(MNBs)技术与Fenton高级氧化工艺相结合 。实验中,MNBs由一台上海行恒科技有限公司的LF-1500微纳米气泡发生器基于水力空化原理产生。

刚果红(CR)的化学结构式

MNBs与Fenton耦合实验装置示意图

工艺效能:降解效率显著提升,pH适用性拓宽

微纳米气泡特性

产生的纳米气泡(NBs)直径主要在50-300 nm之间,平均直径约146.9 nm,浓度最高达5.31×10⁷ 个/mL。在0.5 MPa的最佳出口压力下,单独MNBs对CR的降解率为15.2%。

协同作用的巨大优势

研究了三种组合方式(MNBs-FT, FT-MNBs, MNBs/FT),其中MNBs-FT(先MNBs后Fenton)在中性条件下表现最优

  • 降解率大幅提升 :在pH=7时,MNBs-FT对CR(100 mg/L)的降解率达到94.4% 。这比单独Fenton氧化(22.4%)提高了72% ,比单独MNBs(15.2%)提高了79%
  • 拓宽pH范围 :传统Fenton仅在酸性条件(pH=3)下高效,而MNBs-FT组合在pH 3-12范围内均保持较高降解率,成功将高效反应拓宽至中性条件
  • 超高协同系数 :计算得出的协同系数(f)在pH=7时高达2.44,表明协同效应显著(不同组合与pH下的降解效率对比及协同系数):

关键参数优化

传统Fenton工艺优化

单独Fenton法处理100 mg/L CR的最佳条件为:pH=3,FeSO₄溶液(200 g/L)1.06 mL/L,H₂O₂(30%)0.156 mL/L,反应时间240分钟,此时降解率为96.63%。

MNBs-FT协同工艺的试剂节约

在达到相近降解效率的前提下,MNBs-FT协同工艺所需的Fenton试剂(H₂O₂与Fe²⁺)剂量可减少至传统Fenton法的1/8,从源头上大幅降低了化学药剂消耗与污泥产生量。

机理验证:羟基自由基的主导作用

电子顺磁共振(ESR)分析证实,·OH是MNBs、Fenton及其组合系统降解CR的主要活性物种 。MNBs/FT组合系统的DMPO-OH特征信号峰强度高于MNBs和Fenton单独系统的信号之和,表明协同系统提高了H₂O₂的利用效率并产生了更多·OH(ESR谱图):

CR降解的可能机理示意图

经济性分析:成本降低的关键

研究对处理能力为100 m³/h的MNBs-FT和传统FT工艺进行了成本分析(成本明细):

  • 药剂成本大降 :MNBs-FT工艺因试剂用量减少至1/8,且无需添加H₂SO₄和NaOH调节pH,显著节约了药剂费。
  • 总成本对比 :MNBs-FT工艺处理每吨废水的总成本约为10.79元人民币 ,而传统Fenton工艺成本约为82.97元人民币MNBs-FT的成本仅为传统Fenton的约13%
  • 其他效益:无需调pH也降低了对设备的防腐要求,简化了操作流程。

结论与优势

  1. 高效降解:MNBs-FT系统在中性条件下能高效降解刚果红,降解率达94.4%。
  2. 成本低廉:处理成本大幅降低至传统Fenton法的13%,经济性极佳。
  3. 操作简便:拓宽了有效pH范围至中性,省去了酸碱调节步骤,减少了污泥和二次污染。
  4. 机理明确:协同作用源于MNBs强化传质、产生·OH并与Fenton产生的·OH叠加,共同增强了氧化能力。

文献来源 : Environmental Technology, 2022. DOI: 10.1080/09593330.2022.2036245.

源文献链接 : https://doi.org/10.1080/09593330.2022.2036245

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