單級R5法ClO2制備工藝及應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、采用氯酸鈉與鹽酸反應(yīng)制備ClO2的單級R5法ClO2發(fā)生器由于設(shè)備簡單、易于操控、安全性好和性價比高等特點而使其成為國內(nèi)自來水行業(yè)替代氯的主要消毒設(shè)備之一。
　　 針對國內(nèi)單級R5法ClO2發(fā)生器效率低的現(xiàn)狀和ClO2在消毒應(yīng)用過程存在的急待解決的一些問題，本文對單級R5法ClO2制備工藝的優(yōu)化與反應(yīng)動力學(xué)、ClO2發(fā)生液的組成與毒性、ClO2投加過程的影響因素、ClO2在水中的衰變規(guī)律以及PAC和AsA去除ClO2-的特性等方

2、面進(jìn)行了研究，以期為單級R5法ClO2發(fā)生器的工藝改進(jìn)、ClO2投加和消毒工藝可靠性與安全性的提高以及消毒副產(chǎn)物ClO2-的有效去除等工作提供參考依據(jù)和或理論指導(dǎo)。主要內(nèi)容如下:
　　 (1)單級R5法ClO2制備工藝優(yōu)化研究
　　 本著對單級R5法ClO2制備工藝整體優(yōu)化的思路，根據(jù)ClO3-/Cl-反應(yīng)體系各物質(zhì)相互作用的機(jī)理和條件，通過間歇式ClO2制備實驗，研究了NaClO3/HCl的配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和催

3、化劑等因素對NaClO3轉(zhuǎn)化率、ClO2得率及純度的影響規(guī)律，得到的最佳反應(yīng)條件是:NaClO3與HCl的摩爾比為0.25、溫度為50℃、時間為50min及催化劑MnCl2的用量為0.01mol·L-1。進(jìn)而，利用間歇式ClO2制備實驗獲得的最佳反應(yīng)條件，實驗分析連續(xù)式制備裝置的效率，發(fā)現(xiàn)連續(xù)反應(yīng)器其效率低的主要原因是:物料混合不均、升溫滯后和返混。采用預(yù)熱預(yù)混的原料預(yù)處理方式和基于推流式反應(yīng)器原理設(shè)計較大軸徑比的反應(yīng)器，改善了物料在反

4、應(yīng)器中混合與受熱的均勻性，減小了物料的返混作用。結(jié)果表明:NaClO3轉(zhuǎn)化率、ClO2得率及其純度分別可達(dá)95％、82％和61％以上，比目前文獻(xiàn)報道的同類總體最好指標(biāo)，分別可提高14、11和10個百分點以上。
　　 (2)單級R5法ClO2制備反應(yīng)動力學(xué)研究
　　 根據(jù)ClO3-/Cl-體系的一般反應(yīng)機(jī)理和NaClO3/HCl體系高酸度反應(yīng)的特點，用ClO3-和Cl2變化的等量關(guān)系對Hong-Lenzi的理論速率方程進(jìn)行

5、了簡化，對動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測定，得到了單級R5法ClO2制備反應(yīng)的經(jīng)驗速率方程。該速率方程對ClO3-濃度近似為一級和二級的組合;該方程參數(shù)較少且易于測定，故便于工程應(yīng)用。
　　 (3) ClO2發(fā)生液的組成、毒性及其對飲用水消毒的安全性研究
　　 對ClO2發(fā)生液的組成、毒性及其濃度的衰變趨勢進(jìn)行了考察，對ClO2發(fā)生液用于飲用水消毒時ClO3-、ClO2-殘留量的安全性進(jìn)行了評價。結(jié)果顯示:在常規(guī)ClO2投加量(0.

6、5～2mg·L1)下，ClO2發(fā)生液引入飲用水后的ClO3-和ClO2-的劑量是安全的，但會降低水的pH值;ClO2發(fā)生液對小鼠骨髓嗜多染紅細(xì)胞無致微核作用，對小鼠的急性經(jīng)口毒性為低毒級;將ClO2發(fā)生液稀釋1倍以上時，其對小鼠急性經(jīng)口毒性降為實際無毒級。該研究結(jié)果對ClO2發(fā)生液投加過程的安全投加量、安全稀釋倍數(shù)及安全防護(hù)等級的設(shè)計具有一定指導(dǎo)作用。
　　 (4) ClO2投加過程影響投加量及消毒效果的因素研究
　　

7、通過單級R5法ClO2發(fā)生器在常規(guī)自來水廠的制水工藝消毒工段的現(xiàn)場實驗，研究并得到了進(jìn)料流量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)停留時間等發(fā)生器額定運(yùn)行參數(shù)波動對消毒效果及出廠水水質(zhì)的影響規(guī)律，獲得了其運(yùn)行參數(shù)的安全波動范圍。通過發(fā)生器在模擬管道供水條件下的加藥實驗，研究了管道水壓力對ClO2投加量的影響規(guī)律，進(jìn)而，通過對該規(guī)律在實際供水管道中驗證實驗，考察了ClO2在管道中分散特性及消毒效果，獲得了ClO2發(fā)生器用于管道帶壓加藥可供參考的工藝參數(shù)。

8、>　　 (5)水中ClO2自身衰變動力學(xué)研究
　　 通過對ClO2在純水中自身衰變機(jī)理的分析和實際產(chǎn)物的測定，建立了ClO2在純水中自身衰變的速率方程模型，通過研究水溫和pH對ClO2衰變速率的影響規(guī)律，初步確定了以常溫和中性水為基礎(chǔ)的速率方程的參數(shù)。結(jié)果顯示，ClO2在純水中衰變的主要產(chǎn)物是Cl2(或HClO)和ClO3-等，而ClO2-的量較少，不同于在堿性強(qiáng)化條件下的水解產(chǎn)物;ClO2的衰變對ClO2為1級，對H+為-0

9、.155級?？梢?，ClO2在常溫、中性或偏酸性的水中比在高溫或堿性水中更穩(wěn)定。
　　 (6) PAC和AsA對水中ClO2-去除特性研究
　　 在常規(guī)水處理的pH及溫度下，通過燒杯攪拌實驗對ClO2-在粉末活性炭(PAC)上的等溫吸附特性及吸附機(jī)理進(jìn)行研究。用Langmuir和Freundlich模型對等溫吸附實驗結(jié)果進(jìn)行擬合，考察了吸附的性質(zhì)及熱力學(xué)行為;用偽一級、偽二級動力學(xué)模型以及顆粒內(nèi)擴(kuò)散、液膜擴(kuò)散模型對吸附動力

10、學(xué)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討了吸附過程的機(jī)理及速率控制機(jī)制。結(jié)果顯示:在常規(guī)水處理條件下，PAC對ClO2-的吸附是自發(fā)、吸熱的化學(xué)吸附過程，適于吸附的最佳pH為6;吸附等溫線更符合Freundlich等溫吸附規(guī)律，吸附動力學(xué)更符合偽二級動力學(xué)規(guī)律?？梢?，化學(xué)吸附反應(yīng)是PAC吸附ClO2-速率的主要控制機(jī)制。另一方面，在常規(guī)水處理條件下，考察了抗壞血酸(AsA)對ClO2-的去除作用以及pH、AsA投加量、反應(yīng)溫度和作用時間等工藝因素對Cl