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紫外线在水纯化系统中对有机物的氧化效果

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年12月21日 来源:默克

摘要:

  由于紫外线在降低有机物方面的作用,紫外线技术广泛地应用在水纯化系统中。紫外线在水纯化系统中的应用波长包括:传统的185nm波长紫外灯,以及代表更为先进技术的172nm紫外灯。紫外线在水纯化系统中的用途主要包括总有机碳(TOC)的氧化及含量检测。本文主要介绍了紫外线氧化有机物的机理,并研究了紫外灯在水纯化系统中对有机物氧化的效果。

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利用双波长紫外灯进行紫外光氧化处理,如今已经成为了水净化系统中将总有机碳(TOC)含量降低至ppb级的一项广泛应用的技术。使用人工石英套管制成的紫外灯能够发射出185nm波长紫外线。而代表最先进技术水平的无汞紫外技术,可以发射出波长更短的172nm紫外线,其能量更高,对有机物的氧化效果更好。

对于有机分子的氧化过程,以甲醇为例,从甲醇生成二氧化碳或者HCO3-和H2CO3(图1)。一个有机碳能够生成一个二氧化碳分子。某些有机物,尤其是那些具有双化合键的有机物,也能够直接被185nm紫外线激活,并与O自由基或OH自由基反应。


 
图1 有机物分子的氧化过程

在水纯化系统中,采用了使用套管的汞灯嵌入到316不锈钢架构中,并安装在混床离子交换树脂的上层。树脂的作用是去除HCO3- 离子以及在光氧化过程中形成的带电有机分子。实际上,由于光氧化作用及离子的形成,纯水电阻率从19兆欧降低到大约10兆欧。并且,总有机碳含量可达到小于5ppb的水平。

紫外光氧化对水质影响的质谱分析结果

通过打开或者关闭紫外灯,通过质谱检测所观察到的总离子数(TIC),见图2。打开紫外灯测得的TOC值为4ppb,关闭紫外灯所测TOC为12ppb。很明显,水中的总有机碳(TOC)与质谱测量的总离子书(TIC)具有相关性。


 
图2:关闭与打开紫外灯时,水中总离子数的结果对比

从同一时间的质谱峰值(13.1min)可以看出,检测信号的强度有显著区别。打开紫外灯时的TOC值比关闭紫外灯更低。图3A与图3B在相同强度范围下的对比,从图中可以明显看出,紫外处理过的水有机物含量较少。在紫外灯打开的情况下,所记录的频谱将扩展至整个量程范围(图3C),一些低含量的峰值也被检测到;而在关闭紫外的情况下,则无法检测到这些峰值。因此,在质谱分析中应该使用低于其TOC检测限的超纯水。


 
图3A:总离子分析时,关闭紫外灯条件下,13.1min质谱测量值

图3B:总离子分析时,打开紫外灯条件下,13.1min质谱测量值

图3C:图17B的全范围扩展

总有机碳(TOC)监测

为了取到高品质的实验用水,以保障实验结果的准确、可靠,那么对总有机碳(TOC)的监控就非常有必要。总有机碳(TOC)的检测原理也是基于紫外光氧化,TOC氧化过程成所选择的紫外灯包括传统的185nm,以及更先进的172nm无汞紫外灯(能量更高,氧化效率更高)。有机物分子经过氧化反应,生成CO2。产生的CO2与水反应生成HCO3-(永久性),再次测量电阻率,通过对比前后电导率之间的差异反应水中TOC含量。完全氧化所需时间与不同类型的有机物分子结构有关,只有有机物的完全氧化才能准确反映出水中的TOC水平。由于管路中水流速较高,为了保证完全氧化,单独的检测流路以保证充足的氧化时间、紫外灯的氧化效率就变的非常关键。另外,由于温度-电导率之间特定的物理性质,电阻率的检测需要有专用的温度检测器。目前,国际通用规则是将电阻率补偿至25℃。

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