UV-TiO2 Photocatalytic Degradation

UV-TiO2 Photocatalytic Degradation of Landfill Leachate
Chenzhong Jia & Yanxin Wang & Caixiang Zhang &
Qiaoyan Qin
Received: 20 March 2010 /Accepted: 5 August 2010 / Published online: 1 September 2010
# Springer Science+Business Media B.V. 2010
Abstract Mature landfill leachate contains some
macromolecular organic substances that are resistant
to biodegradation. The photocatalytic process helps to
enhance biodegradability of landfill leachate. Batch
experiments were employed to determine the optimum
conditions for removal of organic matter by UVTiO2
photocatalysis. Under optimum conditions, the
removal of chemical oxygen demand (COD), dissolved
organic carbon (DOC), biological oxygen
demand (BOD), and color was determined. Moreover,
gas chromatography coupled with mass spectrometry
(GC/MS) was used to analyze the organic matter in
the treated leachate before and after treatment by the
photocatalysis. The experimental results indicated that
the removal of COD, DOC, and color by UV-TiO2
photocatalysis could reach above 60%, 70% and 97%,
respectively. Under optimal conditions, the ratio of
biological oxygen demand (BOD)/chemical oxygen
demand (COD) was elevated from 0.09 to 0.39,
representing substantial improvement in biodegradability.
GC/MS analysis revealed that 37 out of 72
kinds of organic pollutants in the leachate remained
after 72 h treatment. Esters were produced during
photocatalytic process and ketones, hydrocarbons,
aromatic hydrocarbons, hydroxybenzenes, and acids
were easier to be degraded during photocatalytic
oxidation processes. The UV-TiO2 photocatalysis
systems proposed may be a cost-effective approach
for pre-treatment of landfill leachate.
Keywords Landfill leachate . Photocatalytic
degradation . TiO2 . Biodegradability. GC/MS
1 Introduction
Conventional treatment techniques to remove organic
matters in landfill leachate include coagulation, flocculation,
precipitation, oxidation, adsorption, and reverse
osmosis (Ntampou et al. 2006; Durmusoglu and Yilmaz
2006). However, it is very difficult both to obtain
satisfactory treatment efficiency and to reduce the cost
associated with infrastructure construction, energy
consumption and frequent use of additional chemicals
(Wiszniowski et al. 2006). Moreover, most of these
techniques are non-destructive and do not solve the
environmental problems because the wastes are simply
transferred from water to another phase creating
secondary wastes pollution (Rajeswari and Kanmani
2009). Biological method was regarded as the most
efficient and cheapest process to eliminate hazardous
materials from leachate (Castillo et al. 2007). However,
Water Air Soil Pollut (2011) 217:375–385
DOI 10.1007/s11270-010-0594-7
C. Jia : Y. Wang (*) : C. Zhang
Key Lab of Biogeology and Environmental Geology of
Ministry of Education, China University of Geosciences,
Wuhan 430074, China
e-mail: [e-mail]
C. Jia : Q. Qin
College of Chemical and Environmental Engineering,
Yangtze University,
Jingzhou 434023, China
biological processes are susceptible to toxic compounds
which may inactivate the microorganisms,
causing difficulty to degrade refractory compounds
from landfill leachate (Sang et al. 2008). As a result, a
combination of physical, chemical and biological
processes is often used in landfill leachate treatment,
in which biological treatment is mostly the first stage
(Benfenati et al. 2003; Seo et al. 2007). However,
technologies that can facilitate degradation of the
recalcitrant organic compounds are still urgently
needed.
In recent years, advanced oxidation processes
(AOP) such as UV/Fe2+/H2O2, UV/O3, UV/H2O2,
UV/H2O2/O3, and UV/TiO2 have been proposed as an
alternative for mineralization of recalcitrant organics
in landfill leachate (Wang et al. 2003). AOP involve
generation of hydroxyl radical (OH) with very high
oxidation potential, which is able to oxidize a wide
variety of toxic and refractory organic compounds to
inorganics such as CO2, H2O, and mineral acids
(Wiszniowski et al. 2006). Although AOP are very
effective in achieving complete mineralization of
pollutants, they are still too expensive if applied
alone. Furthermore, the results of experimental work
on AOP treatment of landfill leachate at laboratory
scale are hardly applicable in practice of environmental
engineering. In most of previous studies, AOP
were usually applied as post-treatment after biological
treatment (Bila et al. 2005). Recently, an alternative to
achieve complete oxidation of bio-recalcitrant wastewater
is the use of an AOP as pre-treatment to convert
initially bio-recalcitrant compounds to more readily
biodegradable intermediates, followed by biological
oxidation of these intermediates to biomass and water
(Lin and Kiang 2003; Sarria et al. 2004).
Among AOP, heterogeneous photocatalysis
appears as one of the most promising technique,
which allows for mineralization of most organic
molecules under UV radiation without supplying any
chemicals other than the catalyst (e.g., titanium
dioxide) and air (Wiszniowski et al. 2006). It should
be noted that complete degradation (mineralization)
of the pollutants for the treatment of large-scale
effluents is still not economically feasible. The
combination with biological techniques would considerably
decrease the overall treatment costs and
ensure an effective removal of undesirable contaminants.
Solar photocatalysis (when using sunlight as
the source of irradiation) has attracted a lot of
attention due to its lower cost, and photocatalytic
oxidation using TiO2 and ultraviolet light (UV/TiO2)
has been proven to be an effective and inexpensive
method to mineralize refractory organic compounds
into less toxic compounds (Cho et al. 2002).
TiO2 has been extensively used as photocatalyst
due to its high chemical stability and unique optical
and electronic properties. A few studies have been
reported to use heterogeneous photocatalysis on TiO2
for eliminating toxic, non-biodegradable and refractory
organic and inorganic components in landfill
leachate (Merabet et al. 2009). However, there has
been little work on application of UV/TiO2 photocatalysis
as pre-treatment to enhance biodegradability
of refractory organic compounds in landfill leachate.
The application of AOP can achieve two goals: to
reduce COD content of wastewater to convert
organics into simple final products such as water
and carbon dioxide (mineralization); and to enhance
biodegradability of treated effluents with the aim of
making their subsequent biological treatment possible.
A significant decrease in the overall cost of the
treatment of leachate is expected through the combination
of AOP with a biological process but compatibility
of these two processes needs to be proved (Koh
et al. 2004).
The main objective of this study is to evaluate the
feasibility of UV/TiO2 photocatalysis for landfill
leachate pre-treatment. The influence of parameters
(initial pH of solution, TiO2 loading and reaction
time) on photocatalytic degradation rate and biodegradability
of landfill leachate such as COD, dissolved
organic carbon (DOC), color, BOD/COD ratio
were investigated. Degradation of different types of
organic compounds in landfill leachate during photocatalysis
was then studied using UV–vis spectrum and
gas chromatography coupled with mass spectrometry
(GC/MS) analysis.
2 Materials and Methods
2.1 Materials
2.1.1 Sampling
The landfill leachate samples were obtained from
Erfeishan landfill, which was in operation of 8 years
and located in Wuhan, a metropolitan in central
376 Water Air Soil Pollut (2011) 217:375–385
China. Leachate samples were collected in precleaned
brown glass amber bottles, kept below 4°C
and protected from light before use in analysis and lab
experiments.
2.1.2 Reagents
All glassware and apparatus were rinsed with sulfuricdichromate
cleaning solution and dried at 280°C prior
to use. All solvents, dichloromethane (DCM), methanol,
and hexane, were HPLC grade (purchased from
Selpco). Hexamethylbenzene (C12H18) was purchased
from Aldrich as GC/MS injection internal standard.
Other reagents were analytical grade and used without
further purification. All the aqueous solutions were
prepared with ultrapure water, which was purified by
a Milli-Q water purification system to achieve a
resistivity >18 MΩ·cm.
2.1.3 Nano-titanium Dioxide
The P25 titanium dioxide (TiO2) (Degussa AG,
Germany) was used as the photocatalyst in this study
and its crystal phase was about 70% anatase. Before
being used in analysis and photoreaction experiments,
TiO2 was dried at about 180°C for 4 h and then stored
in a desiccator. In the present work, according to the
manufacturer’s specification, the elementary particle
in dry powder was approximately spherical in shape
with a particle size of 20 nm.
2.2 Experimental
Photocatalytic experiments were carried out in a selfdesigned
thermostated cylindrical Pyrex photocatalytic
reactor (5 cm of internal diameter and 60 cm of
height) with a total volume of about 1,000 mL
(Fig. 1). The reactor was cooled by an external water
jacket loop which was kept at 25±1°C inside the
reactor. The sample suspension (raw leachate with
appropriate amount of TiO2) was irradiated with a
15 W low-pressure UV mercury vapor lamp (peak
emission at l=254 nm, outer diameter of 2.5 cm,
length of 35 cm) in the center of the reactor. In all
experiments, the reactor was aerated continuously by
air pumped in at a flow rate of 1.5 L/min from the
bottom of the reactor. The aeration not only provides
oxygen for photocatalytic oxidation, but also maintains
the photocatalyst in suspension state to enhance
its contact with contaminants to improve degradation
efficiency. All the reactor system at working was kept
in darkness.
In all the experiments, the pH of landfill leachate
samples was adjusted using 6 M H2SO4 or 6 M
NaOH. For uniform dispersion of powder TiO2 in
leachate samples, the suspensions were vibrated
ultrasonically for at least 30 min in the dark to allow
adsorption equil

Kết quả (Việt) 1:

UV-TiO2 Photocatalytic suy thoái của bãi rác LeachateChenzhong Jia & Yanxin Wang & Caixiang trương &Qiaoyan tầnNhận được: 20 Tháng ba 2010 /Accepted: 5 ngày 2010 / xuất bản trực tuyến: 1 tháng 9 năm 2010# Springer khoa học + kinh doanh truyền thông B.V 2010Bãi rác trưởng thành trừu tượng leachate chứa một sốchất hữu cơ phân tử có nghĩa là khángđể phân. Quá trình photocatalytic giúptăng cường biodegradability của bãi rác leachate. Lôthí nghiệm được sử dụng để xác định tối ưuCác điều kiện cho các loại bỏ của các vật chất hữu cơ của UVTiO2photocatalysis. Dưới điều kiện tối ưu, cácloại bỏ nhu cầu ôxy hóa học (COD), giải thểcacbon hữu cơ (DOC), oxy sinh họcnhu cầu (quản trị), và màu sắc được xác định. Hơn nữa,sắc ký khí kết hợp với mass spectrometry(GC/MS) đã được sử dụng để phân tích chất hữu cơ trongleachate xử lý trước và sau khi điều trị bằng cácphotocatalysis. Các kết quả thử nghiệm chỉ ra rằngloại bỏ COD, DOC, và màu sắc theo UV-TiO2photocatalysis có thể đạt được trên 60%, 70% và 97%,tương ứng. Dưới điều kiện tối ưu, tỷ lệnhu cầu ôxy sinh học (quản trị) / hóa chất ôxynhu cầu (COD) đã được nâng lên từ 0,09 0,39,đại diện cho sự cải tiến đáng kể trong biodegradability.GC/MS phân tích cho thấy rằng 37 trong số 72trong số các loại chất ô nhiễm hữu cơ trong leachate vẫnsau khi điều trị 72 h. Este đã được sản xuất trongphotocatalytic quá trình và xeton, hydrocarbon,hydrocacbon thơm, hydroxybenzenes, và axitdễ dàng hơn để được suy thoái trong photocatalyticquá trình oxy hóa. UV-TiO2 photocatalysisHệ thống đề xuất có thể là một cách tiếp cận hiệu quả chi phítrước khi điều trị bãi rác leachate.Từ khóa bãi rác leachate. Photocatalyticsuy thoái. TiO2. Biodegradability. GC/MS1 giới thiệuKỹ thuật điều trị thông thường để loại bỏ hữu cơvấn đề ở bãi rác leachate bao gồm đông máu, chất,mưa, quá trình oxy hóa, hấp phụ, và ngược lạithẩm thấu (Ntampou et al. 2006; Durmusoglu và YilmazNăm 2006). Tuy nhiên, nó là rất khó khăn cả hai để có đượcđạt yêu cầu điều trị hiệu quả và giảm chi phíliên quan đến xây dựng cơ sở hạ tầng, năng lượngtiêu thụ và thường xuyên sử dụng hóa chất bổ sung(Wiszniowski et al. 2006). Hơn nữa, hầu hết cáckỹ thuật là không phá hoại và không giải quyết cácvấn đề môi trường bởi vì các chất thải chỉ đơn giản làchuyển từ nước để tạo ra một giai đoạnô nhiễm thứ cấp chất thải (Rajeswari và KanmaniNăm 2009). phương pháp sinh học được coi là nhiều nhấtquá trình hiệu quả và rẻ nhất để loại bỏ độc hạitài liệu từ leachate (Castillo et al. 2007). Tuy nhiên,Nước máy đất Pollut (2011) 217:375-385DOI 10.1007/s11270-010-0594-7C. Jia: Y. Wang (*): C. ZhangPhòng thí nghiệm chính của Biogeology và môi trường địa chấtTrung Quốc đại học của khoa học địa chất, bộ giáo dụcWuhan 430074, Trung Quốcthư điện tử: [e-mail]. Jia: Q. tầnĐại học hóa học và kỹ thuật môi trường,Đại học dương tử,Kinh Châu 434023, Trung Quốcquá trình sinh học được nhạy cảm để hợp chất độc hạimà có thể hủy kích hoạt các vi sinh vật,gây khó khăn để làm suy giảm các hợp chất chịu lửatừ bãi rác leachate (hát et al. 2008). Kết quả là, mộtsự kết hợp của vật lý, hóa học và sinh họcquá trình thường được sử dụng trong điều trị leachate bãi rác,trong đó xử lý sinh học là chủ yếu là giai đoạn đầu tiên(Benfenati et al. 2003; SEO et al. 2007). Tuy nhiên,công nghệ có thể tạo thuận lợi cho sự xuống cấp của cácCác hợp chất hữu cơ ương ngạnh là vẫn khẩn trươngcần thiết.Những năm gần đây, nâng cao quá trình oxy hóa(AOP) như UV/Fe2 +/ H2O2, UV/O3, UV/H2O2,UV/H2O2/O3, và UV/TiO2 đã được đề xuất như là mộtthay thế cho mineralization của ngoan cố hữu cơtại bãi rác leachate (Wang et al. năm 2003). AOP liên quan đếncác thế hệ của hydroxyl cấp tiến (OH) với rất caoquá trình oxy hóa tiềm năng, có khả năng để ôxi hóa một rộngnhiều độc hại và vật chất hữu cơ đểinorganics chẳng hạn như CO2, H2O, và axit vô cơ(Wiszniowski et al. 2006). Mặc dù AOP là rấthiệu quả trong việc đạt được hoàn thành mineralization củachất gây ô nhiễm, họ vẫn là quá đắt nếu áp dụngmột mình. Hơn nữa, các kết quả của thử nghiệm làm việcNgày điều trị AOP bãi rác leachate tại Phòng thí nghiệmquy mô là hầu như không áp dụng trong thực tế của môi trườngkỹ thuật. Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây, AOPthường được áp dụng như sau điều trị sau khi sinh họcđiều trị (Bila et al. 2005). Gần đây, một thay thế chođạt được hoàn thành quá trình oxy hóa sinh học-recalcitrant nước thảilà việc sử dụng một AOP như là tiền điều trị để chuyển đổiBan đầu sinh học-recalcitrant hợp chất nhiều hơn nữa dễ dàngphân hủy sinh học trung gian, theo sau là sinh họcquá trình oxy hóa của các trung gian để nhiên liệu sinh học và nước(Lin và Kiang 2003; Sarria ctv. 2004).Trong số AOP, không đồng nhất photocatalysisxuất hiện như là một trong các kỹ thuật hứa hẹn nhất,cho phép cho mineralization của đặt hữu cơCác phân tử dưới tia cực tím mà không cung cấp bất kỳCác hóa chất khác hơn so với chất xúc tác (ví dụ như, Titanđiôxít) và không khí (Wiszniowski et al. 2006). Nó nênghi nhận rằng sự xuống cấp hoàn thành (mineralization)Các chất ô nhiễm để điều trị quy mô lớntiêu thụ nước thải là vẫn không kinh tế khả thi. Cáckết hợp với các kỹ thuật sinh học nào đáng kểgiảm chi phí điều trị tổng thể vàđảm bảo một loại bỏ hiệu quả của chất gây ô nhiễm không mong muốn.Năng lượng mặt trời photocatalysis (khi sử dụng ánh sáng mặt trời lànguồn chiếu xạ) đã thu hút rất nhiềusự chú ý do các chi phí thấp, và photocatalyticquá trình oxy hóa bằng cách sử dụng TiO2 và tia cực tím (UV/TiO2)đã được chứng minh là một hiệu quả và không tốn kémCác phương pháp để mineralize hợp chất hữu cơ chịu nhiệtthành hợp chất ít độc hại (Cho et al. năm 2002).TiO2 đã được sử dụng rộng rãi như photocatalystdo tính ổn định hóa học cao của nó và độc đáo quang họcvà tính chất điện tử. Một vài nghiên cứu đãbáo cáo sử dụng không đồng nhất photocatalysis trên TiO2để loại bỏ độc hại, không phân hủy và vật liệu chịu lửathành phần hữu cơ và vô cơ trong bãi rácleachate (Merabet et al 2009). Tuy nhiên, cólà các công việc rất ít trên các ứng dụng của UV/TiO2 photocatalysisnhư là tiền điều trị để tăng cường biodegradabilityvật chất hữu cơ trong bãi rác leachate.Việc áp dụng các AOP có thể đạt được hai mục tiêu: đểgiảm COD nội dung của các nước thải để chuyển đổichất hữu cơ vào các sản phẩm cuối cùng đơn giản như nướcvà điôxít cacbon (mineralization); và để tăng cườngbiodegradability của tiêu thụ nước thải được điều trị với mục tiêulàm cho điều trị sinh học tiếp theo của họ có thể.Sự sụt giảm đáng kể tổng chi phí của cácđiều trị leachate dự kiến sẽ thông qua sự kết hợpcủa AOP với một quá trình sinh học nhưng khả năng tương thíchCác hai xử lý các nhu cầu để được chứng minh (KohCTV. 2004).Mục tiêu chính của nghiên cứu này là để đánh giá cáctính khả thi của UV/TiO2 photocatalysis cho bãi rácleachate trước khi điều trị. Ảnh hưởng của tham số(ban đầu pH của giải pháp, TiO2 tải và phản ứngthời gian) trên photocatalytic suy thoái tỷ lệ và biodegradabilitycủa bãi rác leachate chẳng hạn như COD, giải thểhữu cơ cacbon (DOC), màu sắc, tỷ lệ quản trị/CODđã được điều tra. Sự xuống cấp của các loại khác nhau củaCác hợp chất hữu cơ trong bãi rác leachate trong photocatalysissau đó nghiên cứu bằng cách sử dụng quang phổ UV-vis vàsắc ký khí kết hợp với mass spectrometryPhân tích (GC/MS).2 tài liệu và phương pháp2.1 vật liệu2.1.1 mẫuBãi rác leachate mẫu đã được thu được từBãi rác Erfeishan, mà là trong hoạt động của 8 tuổivà nằm ở Vũ Hán, một đô thị ở trung bộ376 nước máy đất Pollut (2011) 217:375-385Trung Quốc. Leachate mẫu đã được thu thập trong precleanedthủy tinh màu nâu hổ phách chai, Giữ dưới 4° Cvà được bảo vệ từ ánh sáng trước khi sử dụng trong phân tích và phòng thí nghiệmthí nghiệm.2.1.2 thửTất cả các đồ đựng và thiết bị đã được rửa với sulfuricdichromategiải pháp làm sạch và khô tại trước khi 280° Cđể sử dụng. Tất cả các dung môi, diclorometan (DCM), methanol,và hexan, là hệ HPLC lớp (mua từSelpco). Hexamethylbenzene (C12H18) đã được muatừ Aldrich như GC/MS tiêm nội bộ tiêu chuẩn.Thuốc thử khác là phân tích lớp và sử dụng mà khônghơn nữa thanh lọc. Tất cả các giải pháp dung dịch nướcchuẩn bị ultrapure nước, đó tinh khiết bởimột hệ thống lọc nước Milli-Q để đạt được mộtđiện trở suất > 18 MΩ·cm.2.1.3 Nano-titanium DioxideP25 điôxít titan (TiO2) (Degussa AG,Đức) được sử dụng như photocatalyst trong nghiên cứu nàyvà giai đoạn tinh thể của nó đã là khoảng 70% anatase. Trước khiđược sử dụng trong các thí nghiệm phân tích và photoreaction,TiO2 được sấy khô ở khoảng 180° C cho 4 h và sau đó lưu trữtrong một desiccator. Trong hiện tại làm việc, theo cácđặc điểm kỹ thuật của nhà sản xuất, hạt cơ bảntrong bột khô là khoảng hình cầu trong hình dạngvới một kích thước hạt của 20 nm.2.2 thực nghiệmPhotocatalytic thí nghiệm đã được thực hiện trong một selfdesignedthermostated hình trụ Pyrex photocatalyticlò phản ứng (5 cm đường kính nội bộ và 60 cmchiều cao) với tổng diện tích khoảng 1.000 mL(Hình 1). Lò phản ứng đã được làm mát bằng một nước ngoàivòng lặp áo mà được giữ ở 25±1 ° C bên trong cáclò phản ứng. Đình chỉ mẫu (nguyên leachate vớisố tiền thích hợp của TiO2) được chiếu xạ với một15 W áp lực thủy ngân hơi đèn UV (cao điểmCác khí thải tại l = 254 nm, bên ngoài đường kính 2,5 cm,chiều dài của 35 cm) ở giữa của lò phản ứng. Trong tất cảthí nghiệm, lò phản ứng có ga liên tục bởiMáy bơm trong tốc độ dòng chảy 1.5 L/phút từ cácdưới cùng của lò phản ứng. Thoáng không chỉ cung cấpoxy cho photocatalytic quá trình oxy hóa, nhưng cũng duy trìphotocatalyst trong hệ thống treo nhà nước để nâng caocủa nó tiếp xúc với chất gây ô nhiễm để cải thiện sự suy thoáihiệu quả. Tất cả hệ thống lò phản ứng tại làm việc đã được giữtrong bóng tối.Trong tất cả các thí nghiệm, độ pH của bãi rác leachatemẫu được điều chỉnh bằng cách sử dụng 6 M H2SO4 hoặc 6 MNaOH. Cho các phân tán thống nhất của bột TiO2 trongleachate mẫu, đình chỉ các đã được rungultrasonically trong ít nhất 30 phút trong bóng tối để cho phépHấp phụ equil

Kết quả (Việt) 2:

UV-TiO2 Photocatalytic Sự xuống cấp của bãi rác
Chenzhong Jia & Yanxin Wang & Caixiang Zhang &
Qiaoyan Qin
đã nhận: Tháng Ba 20, 2010 / Được chấp nhận: 05 tháng tám 2010 / Xuất bản trực tuyến: 01 tháng 9 năm 2010
# Springer Science + Business Media BV 2010
Tóm tắt Mature bãi rác chứa một số
chất hữu cơ phân tử có khả năng kháng
để phân hủy sinh học. Quá trình quang xúc tác giúp
tăng cường phân hủy sinh học nước thải thấm rỉ. Lô
thí nghiệm được sử dụng để xác định tối ưu
điều kiện cho việc loại bỏ các chất hữu cơ bởi UVTiO2
xúc tác quang. Trong điều kiện tối ưu,
loại bỏ nhu cầu oxy hóa học (COD), hòa tan
carbon hữu cơ (DOC), oxy sinh học
theo yêu cầu (BOD), và màu sắc đã được xác định. Hơn nữa,
phương pháp sắc ký khí kết hợp với khối phổ
(GC / MS) đã được sử dụng để phân tích các chất hữu cơ trong
các nước rỉ rác được xử lý trước và sau khi điều trị bằng các
xúc tác quang. Các kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng
việc loại bỏ COD, DOC, và màu sắc bằng UV-TiO2
xúc tác quang có thể đạt trên 60%, 70% và 97%,
tương ứng. Trong điều kiện tối ưu, tỷ lệ
nhu cầu oxy sinh học (BOD) / hóa chất oxy
nhu cầu (COD) đã được nâng 0,09-0,39,
đại diện cho sự cải thiện đáng kể trong phân hủy sinh học.
GC / MS phân tích cho thấy rằng 37 trong số 72
loại chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải vẫn
sau khi điều trị 72 h. Este được tạo ra trong quá
trình quang xúc tác và xeton, hydrocarbons,
hydrocacbon thơm, hydroxybenzenes, và axit
là dễ dàng hơn để bị suy thoái trong quang xúc tác
quá trình oxy hóa. Các xúc tác quang UV-TiO2
hệ thống đề xuất có thể là một phương pháp hiệu quả chi phí
cho tiền xử lý nước thải thấm rỉ.
Keywords Landfill nước rỉ rác. Photocatalytic
suy thoái. TiO2. Rữa. GC / MS
1 Giới thiệu
các kỹ thuật điều trị thông thường để loại bỏ hữu cơ
các vấn đề trong nước thải thấm rỉ bao gồm đông máu, keo tụ,
kết tủa, quá trình oxy hóa, hấp phụ, và đảo ngược
thẩm thấu (Ntampou et al 2006;. Durmusoglu và Yilmaz
2006). Tuy nhiên, nó là rất khó khăn cả để có được
hiệu quả điều trị thỏa đáng và để giảm chi phí
liên quan đến xây dựng cơ sở hạ tầng, năng lượng
tiêu thụ và sử dụng thường xuyên các hóa chất khác
(Wiszniowski et al. 2006). Hơn nữa, hầu hết các
kỹ thuật này không phá hủy và không giải quyết các
vấn đề môi trường do chất thải chỉ đơn giản là
chuyển từ nước sang một giai đoạn khác tạo ra
ô nhiễm chất thải thứ cấp (Rajeswari và Kanmani
2009). Phương pháp sinh học được coi là nhất
quá trình hiệu quả và rẻ nhất để loại bỏ độc hại
vật liệu từ nước rỉ rác (Castillo et al. 2007). Tuy nhiên,
nước Air đất Pollut (2011) 217: 375-385
DOI 10,1007 / s11270-010-0594-7
C. Jia: Y. Wang (*): C. Zhang
Key Lab của Biogeology và môi trường địa chất của
Bộ Giáo dục, Đại học Khoa học Địa chất Trung Quốc,
Vũ Hán 430.074, Trung Quốc
e-mail: [e-mail]
C. Jia: Q. Tần
College of Chemical và Kỹ thuật Môi trường,
Đại học Dương Tử,
Kinh Châu 434.023, Trung Quốc
quá trình sinh học rất nhạy cảm với các hợp chất độc hại
có thể làm bất hoạt các vi sinh vật,
gây khó khăn cho việc phân hủy các hợp chất chịu lửa
từ bãi rác (Sang et al 2008).. Kết quả là, một
sự kết hợp của vật lý, hóa học và sinh học
quy trình thường được sử dụng trong bãi rác xử lý nước rỉ rác,
trong đó xử lý sinh học chủ yếu là giai đoạn đầu tiên
(Benfenati et al 2003;. Seo et al 2007.). Tuy nhiên,
công nghệ có thể tạo điều kiện suy thoái của các
hợp chất hữu cơ ngoan cố vẫn đang khẩn trương
cần thiết.
Trong những năm gần đây, quá trình oxy hóa tiên tiến
(AOP) như UV / Fe2 + / H2O2, UV / O3, UV / H2O2,
UV / H2O2 / O3, và UV / TiO2 đã được đề xuất như là một
thay thế cho các chất hữu cơ khoáng ngoan cố
trong bãi rác (Wang et al. 2003). AOP liên quan đến
thế hệ của các gốc hydroxyl (OH) với rất cao
tiềm năng oxy hóa, có khả năng oxy hóa một rộng
nhiều loại hợp chất hữu cơ độc hại và vật liệu chịu lửa để
chất vô cơ như CO2, H2O, và các axit khoáng
(Wiszniowski et al. 2006). Mặc dù AOP là rất
hiệu quả trong việc đạt được khoáng hóa hoàn toàn của
chất gây ô nhiễm, họ vẫn còn quá đắt nếu áp dụng
một mình. Hơn nữa, kết quả của việc thử nghiệm
trên AOP xử lý nước thải thấm rỉ tại phòng thí nghiệm
quy mô rất khó áp dụng trong thực tế của môi trường
kỹ thuật. Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây, AOP
thường được áp dụng như sau điều trị sau khi sinh học
điều trị (Bila et al. 2005). Gần đây, một sự thay thế để
đạt được quá trình oxy hóa hoàn toàn của nước thải sinh ngoan cố
là việc sử dụng một AOP như tiền xử lý để chuyển đổi
các hợp chất ban đầu sinh ngoan để dễ dàng hơn
trung gian phân hủy sinh học, tiếp theo là sinh học
quá trình oxy hóa của các trung gian cho sinh khối và nước
(Lin và Kiang 2003;.. Sarria et al 2004)
Trong số AOP, xúc tác quang không đồng nhất
xuất hiện như là một trong những kỹ thuật hứa hẹn nhất,
mà cho phép khoáng hoá nhất hữu cơ
phân tử dưới bức xạ tia cực tím mà không cung cấp bất kỳ
loại hóa chất khác so với các chất xúc tác (ví dụ, titan
dioxide) và không khí (Wiszniowski et al. 2006). Nó nên
được lưu ý rằng suy thoái đầy đủ (khoáng)
của các chất ô nhiễm trong điều trị quy mô lớn
nước thải vẫn là không khả thi về mặt kinh tế. Việc
kết hợp với các kỹ thuật sinh học đáng kể sẽ
làm giảm chi phí điều trị tổng thể và
đảm bảo loại bỏ hiệu quả các chất gây ô nhiễm không mong muốn.
Solar xúc tác quang (khi sử dụng ánh sáng mặt trời là
nguồn gốc của chiếu xạ) đã thu hút rất nhiều
sự chú ý do giá thành rẻ hơn, và quang xúc tác
quá trình oxy hóa bằng cách sử dụng TiO2 và ánh sáng tia cực tím (UV / TiO2)
đã được chứng minh là một cách hiệu quả và không tốn kém
phương pháp để khoáng hóa các hợp chất hữu cơ chịu nhiệt
thành hợp chất ít độc hại (Cho et al. 2002).
TiO2 đã được sử dụng rộng rãi như chất quang xúc
do sự ổn định hóa học cao và độc đáo quang
thuộc tính và điện tử. Một vài nghiên cứu đã được
báo cáo sử dụng xúc tác quang hóa không đồng nhất trên TiO2
để loại bỏ chất độc hại, không phân hủy và chịu lửa
các thành phần hữu cơ và vô cơ trong rác thải
nước rỉ rác (Merabet et al. 2009). Tuy nhiên, đã có
nhiều công trình trên ứng dụng của tia cực tím / TiO2 xúc tác quang
như trước khi điều trị để tăng cường phân hủy sinh học
của các hợp chất hữu cơ chịu lửa tại bãi rác.
Việc áp dụng AOP có thể đạt được hai mục tiêu: để
làm giảm hàm lượng COD của nước thải để chuyển đổi
các chất hữu cơ vào thức đơn giản các sản phẩm như nước
và carbon dioxide (khoáng); và để tăng cường
phân hủy sinh học của nước thải được xử lý với mục đích
làm cho xử lý sinh học tiếp theo của họ có thể.
Một sự giảm đáng kể trong tổng chi phí của các
xử lý của nước thải dự kiến sẽ thông qua sự kết hợp
của AOP với một quá trình sinh học nhưng khả năng tương thích
của hai quá trình này cần phải được chứng minh (Koh
et al. 2004).
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là để đánh giá
tính khả thi của UV / TiO2 quang xúc tác cho bãi rác
nước thải trước khi xử lý. Sự ảnh hưởng của các thông số
(pH ban đầu của giải pháp, TiO2 tải và phản ứng
thời gian) trên tỷ lệ suy thoái quang xúc tác và phân hủy sinh học
nước thải thấm rỉ như COD, hòa tan
carbon hữu cơ (DOC), màu sắc, tỷ lệ BOD / COD
đã được nghiên cứu. Sự xuống cấp của các loại khác nhau của
các hợp chất hữu cơ trong nước thải thấm rỉ trong quá trình xúc tác quang
sau đó đã được nghiên cứu sử dụng phổ tần và UV-vis
sắc ký khí kết hợp với khối phổ
(GC / MS) phân tích.
2 Vật liệu và phương pháp
2.1 Vật liệu
2.1.1 Lấy mẫu
Các mẫu nước rỉ bãi rác đã thu được từ
Erfeishan bãi rác, mà là trong hoạt động của 8 năm
và nằm ở Vũ Hán, một đô thị ở miền Trung
376 nước Air đất Pollut (2011) 217: 375-385
Trung Quốc. Mẫu nước thải được thu thập trong precleaned
nâu chai thủy tinh màu hổ phách, dưới 4 ° C
và tránh ánh sáng trước khi sử dụng trong phân tích trong phòng thí nghiệm và
thí nghiệm.
2.1.2 Thuốc thử
Tất cả thủy tinh và bộ máy được rửa với sulfuricdichromate
giải pháp làm sạch và sấy khô ở 280 ° C trước khi
đến sử dụng. Tất cả các dung môi, diclometan (DCM), methanol,
và hexane, là lớp HPLC (mua từ
Selpco). Hexamethylbenzene (C12H18) được mua
từ Aldrich như GC / MS tiêm chuẩn nội.
Các chất phản ứng khác là phân tích và sử dụng mà không cần
tinh chế thêm. Tất cả các dung dịch nước đã được
chuẩn bị bằng nước tinh khiết, được tinh chế bằng
một hệ thống lọc nước Milli-Q để đạt được một
điện trở suất> 18 MΩ • cm.
2.1.3 Nano-titanium Dioxide
Các P25 titan dioxide (TiO2) (Degussa AG,
Đức ) được sử dụng làm xúc tác quang trong nghiên cứu này
và pha tinh thể của nó là khoảng 70% anatase. Trước khi
được sử dụng trong phân tích và thí nghiệm photoreaction,
TiO2 được sấy khô ở 180 ° C trong 4 giờ và sau đó được lưu trữ
trong bình hút ẩm. Trong công việc hiện tại, theo các
đặc điểm kỹ thuật của nhà sản xuất, các hạt cơ bản
ở dạng bột khô xấp xỉ hình cầu
với kích thước hạt của 20 nm.
2.2 nghiệm
thí nghiệm Photocatalytic được thực hiện ở một selfdesigned
trụ thermostated Pyrex quang xúc tác
phản ứng (5 cm của nội đường kính 60 cm
chiều cao) với tổng khối lượng khoảng 1.000 mL
(Hình. 1). Các lò phản ứng đã được làm mát bởi một nước bên ngoài
vòng lặp áo mà đã được giữ ở 25 ± 1 ° C trong
lò phản ứng. Việc đình chỉ mẫu (nước rỉ rác thô với
số lượng thích hợp của TiO2) được chiếu xạ một
15 đèn thấp áp hơi thủy ngân UV W (đỉnh
phát xạ tại l = 254 nm, đường kính ngoài là 2,5 cm,
chiều dài 35 cm) ở trung tâm của lò phản ứng. Trong tất cả các
thí nghiệm, các lò phản ứng đã được sục khí liên tục bởi
không khí được bơm vào với tốc độ dòng chảy 1,5 L / phút từ
đáy lò phản ứng. Các thông khí không chỉ cung cấp
oxy cho quá trình oxy hóa quang xúc, nhưng cũng duy trì
sự hoạt hóa quang ở trạng thái treo để tăng cường
tiếp xúc với chất gây ô nhiễm để cải thiện sự xuống cấp
hiệu quả. Tất cả các hệ thống lò phản ứng lúc làm việc đã được giữ
trong bóng tối.
Trong tất cả các thí nghiệm, độ pH của nước thải thấm rỉ
mẫu đã được điều chỉnh bằng cách sử dụng 6 M H2SO4 hoặc 6 M
NaOH. Đối với phân tán đồng đều của bột TiO2 trong
mẫu nước thải, hệ thống treo được rung
siêu âm trong ít nhất 30 phút trong bóng tối để cho phép
hấp phụ equil