改性电极材料对电容性吸附除盐及RO浓水的处理实验研究

发布时间：2019-05-11 08:40

【摘要】：经济增长同时,要求协调生态环境的稳定性难度也逐渐增大。在水环境方面,更应该去发展循环用水以及节水型政策。近年来,电渗析、离子交换、反渗透等膜法以及生物法得到较大的发展,但是这些工艺都会产生不同浓度的二次废水,长期积累必然造成企业甚至城市的负担。电容性吸附具有高除盐率、清洁环保及经济性等优点,学者对其处理过程已有一定研究。在改善电容性吸附材料吸附能力上,学者研究则较为少见。本课题欲以电容性吸附为基础,以活性炭纤维为基材,通过不同的改性方法对其改性,以期提高NaCl盐水及RO浓水除盐效果,为电容性吸附及相关除盐工艺等研究参考。实验还对活性炭纤维进行红外表征,并观察改性后官能团的变化情况,结合对污染物的去除过程及效果,以图更科学地解释改性对电容性吸附的影响。同时利用数学方法对RO浓水除盐及氨氮去除过程进行动力学拟合,对RO浓水电容性吸附电导率使用微分求导的方法,进一步更清楚地探讨改性后材料变化对反应过程传质吸附效果的影响。实验设计了集成的电容性吸附装置,主要通过碱、酸、金属负载及联合改性活性炭纤维,对NaCl盐水及RO浓水进行实验研究,并考察了RO浓水相关动力学过程。有关课题主要工作及实验结果具体如下:(1)设计电容性吸附装置,利用布水通道改善通水条件,对隔板进行比选最终选用海绵保证为粒子吸收提供了有弹性充满度和扰动,从而尽可能的提高其传质速率。对电容性吸附装置流量、进水浓度、以及电压进行单因素实验,考察不同因素对实验的影响;并在实验用水浓度固定下,设计三因素(流量、电压及极板间距)三水平的正交实验,确定理想的操作条件。利用SPSS软件进行极差和方差法分析,发现各因素对电导率平均去除率的影响大小次序为极板间距、电压及流量。最终确定极板间距2mm、电压2.1v、流量20ml/min,且对再生方式比较选择短接和反接结合的方式。(2)利用NaOH、KOH及氨水对活性炭纤维进行改性,记为ACF-NaOH、ACF-KOH及ACF-NH3,分别对NaCl盐水及RO浓水处理。结果ACF-NH3对NaCl盐水和RO浓水电导率、氨氮、CODCr有去除效果最佳,平均去除率分别为19.92%、9.69%、41.80%及43.97%。另外,ACF-NaOH与ACF-KOH对各指标的去除率比较接近,碱金属氢氧化物对活性炭纤维表面孔径及官能团的改性表现出相似性。通过微分法对RO浓水电导率求导做变化率随时间变化曲线,ACF-NH3表现出最好的吸附和再生效率。(3)使用H2SO4、HNO3及H3PO4对改性活性炭纤维,分别记为ACF-H2SO4、ACF-HNO3及ACF-H3PO4,并进行电容性吸附NaCl盐水和RO浓水。HNO3和H2SO4改性后电极材料去除率较高,其氧化性改善了活性炭纤维氧化基团及孔径分布等,红外光谱分析结果也证明了这点。其中,ACF-HNO3综合吸附性能最佳,NaCl盐水和RO浓水电导率、CODCr及浊度分别达到21.10%、9.83%、53.21%、88.59%。同时,ACF-H2SO4和ACF-H3PO4分别对氨氮与UV254的去除效果较好,两者对氨氮与UV254平均去除率分别为57.80%、78.16%。(4)对活性炭纤维进行金属负载改性,试剂分别为FeCl3、AgNO3及CuCl2,改性后标记为ACF-FeCl3、ACF-AgNO3和ACF-CuCl2,对NaCl盐水及RO浓水进行电容性吸附实验。金属负载后电极材料官能团改变,为吸附提供了活性位点从而表现出一定选择性吸附。其中,ACF-AgNO3对模拟NaCl和RO浓水电导率去除效果最好,其平均去除率分别为20.69%、8.44%。其他指标去除中,ACF-CuCl2对氨氮平均去除率最大为61.49%,ACF-FeCl3则对UV254有最好的去除率69.51%。(5)对NH3、HNO3及AgNO3等改性方法进行对比,研究各电极材料去除NaCl盐水及RO浓水各指标的去除过程及效果,各材料各指标电容性吸附动力过程比较相似,ACF-HNO3对活性炭纤维的去除效果最好。且对多组分RO浓水来说,CODCr与UV254表现正相关性,另一组为氨氮与浊度;两组指标互相关联,有存在一定的竞争关系。(6)联合HNO3及AgNO3对活性炭纤维进行联合改性,记为ACF-composite,并在电容性吸附单元处理模拟NaCl浓水及RO浓水实验,并考察各指标之间吸附过程。ACF-composite对NaCl盐水电导率的平均去除率为23.94%,稍高于ACF-HNO321.10%。但是,在RO浓水总体性能上有很大的提升,对RO浓水电导率、氨氮及CODCr等有比单一改性有更好的去除效率,平均去除率分别为23.94%、55.01%及55.37%。另外,氨氮、CODCr、UV254及浊度等指标间仍然存在一定的竞争性吸附,而CODCr和UV254在总体趋势上来看仍表现出正相关性。(7)对上述各种改性材料电容性吸附RO浓水盐分及氨氮去除过程进行准一级、二级、Elovich方程及origin内置高斯函数进行曲线拟合,结果准高斯函数对各材料电容性吸附RO浓水盐分及氨氮都有很大的拟合度,拟合R2均在0.90以上。几种动力学方程中,准一级动力学拟合效果比准二级、Elovich动力学方程有更大的拟合度,其拟合参数值和吸附过程表现比较一致。(8)利用数学微分的方法,利用origin对各材料电容性吸附RO浓水第一周期吸附及再生过程进行求导,所得曲线记为RO浓水为电导率变化率(即可以表示吸附速率)。结果发现改性后电极材料对RO浓水除盐速率及再生阶段速率都有一定程度的提高,改善了吸附和再生效率。其中,ACF-composite、ACF-HNO3及ACF-AgNO3等材料延长了去除效率较高所保持的时间,且再生阶段仍表现出较大的再生效率,这也从反面证明了改性后电极材料吸附和再生性能得到了很好的提升,从而表现出更大的去除率。(9)利用红外分光光法对改性前后各材料进行表征,发现氨水改性电极材料出现氨基的吸收峰,硝酸改性后材料在含氧官能团所在区吸收峰更加明显,硝酸银负载后材料则主要表现为对波形的影响。对联合改性材料来说,其含氧官能团吸收区域峰值更明显,同时在接近500cm-1时出现较明显的吸收峰,这可能与银离子的引入有关。
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【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703

【共引文献】