Fenton process enhanced by metal sulfide for treating the actual evaporated mother liquid of gas field wastewater

金屬硫化物強化芬頓法處理實際氣田廢水蒸發母液的研究  

來源： Water Reuse Vol 13 No 2

《水資源再利用》，第13卷第2期

 

 

摘要內容：  

摘要研究了四種金屬硫化物（CuS、ZnS、MoS?、WS?）強化芬頓法處理氣田廢水蒸發母液（EML-GFW）。在初始pH=3.0、FeSO?·7H?O:ZnS:H?O?投加比例為30 g/L:10 g/L:1.2 mol/L時，Fenton/ZnS工藝對總有機碳（TOC）去除率最高達74.5%。有機組分分析表明N,N-二甲基乙醇胺（DMEA）是主要特征污染物。機理研究表明，ZnS在光照下產生空穴-電子對，促進Fe3?還原為Fe2?，加速·OH生成，從而提升TOC去除效率。該研究為氣田廢水工程化處理提供了理論支撐。  

 

研究目的：  

處理高鹽難降解的氣田廢水蒸發母液（EML-GFW），解決傳統方法（吸附、氣浮、混凝等）因高鹽導致的膜污染、設備結垢及微生物失活問題，提升有機污染物礦化效率。  

 

研究思路：  

篩選最佳金屬硫化物（CuS/ZnS/MoS?/WS?）強化芬頓工藝（圖2）  

 

 

優化Fenton/ZnS工藝參數：反應時間（圖3a）、初始pH（圖3b）、H?O?投加量（圖3c）、FeSO?·7H?O投加量（圖3d）、ZnS投加量（圖3e）  

 

通過實際廢水（表1水質數據）和模擬廢水（DMEA）探究機理：

 

 

分析反應后有機物組成（GC-MS）  

 

叔丁醇淬滅實驗驗證·OH作用（圖4）  

 

 

光照/避光對比實驗（圖5）  

 

測量數據及研究意義：  

TOC去除率（核心指標）  

 

來源：圖2（不同硫化物對比）、圖3（參數優化）  

 

意義：直接反映有機污染物礦化效率，74.5%的去除率證明工藝有效性  

 

有機組分（GC-MS分析）  

 

來源：圖1（不同批次EML-GFW成分）、反應后產物分析  

 

意義：明確DMEA為特征污染物（占主導且難降解），指導模擬廢水實驗設計  

 

DMEA濃度變化  

 

來源：淬滅實驗（圖4）、光照實驗（圖5）  

 

意義：驗證·OH的主導作用及光照對ZnS催化活性的影響  

 

pH數據（丹麥unisense電極測量）  

 

來源：全程實驗（尤其圖3b優化）  

 

意義：控制反應環境（pH=3.0最佳），影響鐵形態分布及·OH生成動力學  

 

丹麥unisense電極數據的詳細解讀：  

使用丹麥unisense微電極系統（型號mmm 7221）精確測量pH值。其研究意義在于：  

控制關鍵反應條件：芬頓反應強烈依賴酸性環境（pH=2.0-4.0），該電極確保初始pH精確調至3.0（圖3b顯示此pH下TOC去除率最高）  

 

避免鐵沉淀：pH>4時Fe3?水解生成Fe(OH)?沉淀（降低催化活性），高精度pH監測防止此現象  

 

減少自由基淬滅：pH過低（如pH=2.0）時H?會淬滅·OH，電極數據幫助避開不利區間  

 

保證實驗重現性：所有批次實驗（尤其實際廢水處理）需嚴格統一pH條件，該電極提供實驗室級精度支撐  

 

結論：  

ZnS是強化芬頓的最佳硫化物，在pH=3.0、FeSO?·7H?O 30 g/L、ZnS 10 g/L、H?O? 1.2 mol/L條件下，EML-GFW的TOC去除率達74.5%（圖3）  

 

DMEA是EML-GFW中持續存在的特征污染物（圖1）  

 

機理：ZnS光照產生空穴-電子對，促進Fe3?→Fe2?循環（圖6），加速·OH生成（淬滅實驗圖4證實），光照下TOC去除率比避光高18.8%（圖5）  

 

 

該工藝為高鹽難降解氣田廢水工程化處理提供技術路徑