基于脉冲电晕放电激发的氧化物种作用机理及污染物转化研究
发布时间：2020-04-18 17:39
【摘要】：基于臭氧的高级氧化技术(AOPs)在去除废水中难降解有机物方面表现出很高的效率,但臭氧制备过程能效低。脉冲电晕放电(PCD)作为氧化能效较高的一种高级氧化技术,具有原位产生并利用臭氧及羟基自由基(·OH)等氧化剂的特点,可解决上述问题。PCD应用于气液混合体系时,通过在气液界面处产生的低寿命活性氧化物质,协同气相中产生且在气-液相间传质作用的其它一些长寿命活性氧化物质及物理场作用,显著提升了污染物的氧化效率。本研究将基于PCD的氧化物种作用分配机理与污染物转化相结合,为PCD技术在水处理中的应用提供理论支撑和技术支持。本研究考察了·OH猝灭剂对三种不同属性污染物降解动力学的影响,研究短寿命及长寿命活性氧化物质在氧化有机物过程中的作用及分配,并以硫氰化物为研究对象,考察了基于PCD的污染物转化过程及影响因素。针对反应速率不同的污染物,PCD氧化过程中所需要氧化物种的种类及作用方式有所不同,根据氧化物种的需求与分配可选择适当的能量输入,即反应器条件以提高污染物的降解能效。本文分别以苯酚、草酸和腐殖酸作为研究对象,考察添加表面活性剂及非表面活性剂的自由基猝灭剂对目标污染物降解能效的影响,以及不同脉冲重复频率条件下目标污染物降解的不同表现。其中,目标污染物的降解速率具有差异性,苯酚的反应速率较快,草酸仅与·OH发生反应,腐殖酸的反应速率较慢。结果表明,苯酚的氧化既有表面产生·OH的作用,也有溶解性臭氧通过直接氧化和分解为·OH间接氧化的贡献;由于草酸氧化中非表面活性剂·OH猝灭剂破坏溶液中臭氧分解产生的·OH后,氧化能效依然2倍高于同浓度表面活性剂猝灭作用的情况,故草酸的氧化中表面产生的·OH有更大的贡献;腐殖酸对氧化剂的作用不敏感,因其本身具有一定的对·OH的猝灭作用,其氧化过程仅依赖于表面产生的·OH。研究表明,快速的能量供应适用于仅由自由基激发氧化的有机物,例如腐殖酸类物质;针对既可以被表面产生的活性氧化物质氧化,又可以被长寿命氧化剂氧化的有机物,低脉冲重复频率的条件更加适合。实验结果证实了PCD的界面反应特征,即·OH等活性氧化物质主要产生且作用于气-液界面处。以配制的硫氰化物模拟废水为研究对象,从构建厌氧氨氧化适配条件的目的出发,考察了不同pH条件下含氮污染物经PCD处理随时间的动态转化规律,以及SCN~--N降解副产物(SO_4~(2-)和HCO_3~-浓度)对NH_4~+-N降解的影响,并拟合了不同条件下NH_4~+-N的降解动力学。结果表明,PCD技术利用原位产生的O_3和·OH能氧化包括SCN~--N和NH_4~+-N在内的还原态含氮化合物为NO_3~--N,pH的增高有利于氧化反应的进行;反应过程中产生的SO_4~(2-)和HCO_3~-对NH_4~+-N的氧化具有显著的抑制作用,HCO_3~-的抑制效应要高于SO_4~(2-)。研究表明,对于高SCN~-废水的处理,PCD技术可作为厌氧氨氧化及其配套组合工艺的预处理技术,在规避毒性抑制与构造水质特征方面表现出优越性。综上所述,基于PCD对SCN~-的快速氨解,通过反应条件的调控可实现将PCD作为预处理工艺与厌氧氨氧化结合用于总氮的去除。结合不同猝灭剂的作用,总结了污染物降解的动力学规律,并阐明氧化物种的作用及分配情况,在一定程度上阐释了PCD应用于水处理的普遍规律,验证了PCD的界面反应特征,为PCD的工业化应用提供了理论参考。
【图文】：
华南理工大学硕士学位论文水的预处理和深度处理工艺，也可以通过与其他技术的联用，从而提及出水水质，这些优点也使得 AOPs 成为水处理领域的研究热点。诱导自由基产生的机理不同，AOPs 可以分为 O3法、Fenton 氧化法、式氧化法、超临界水氧化法等。AOPs 主要以 O3氧化法在水处理市场然而这些工艺仅仅在部分城市得到少量应用，在水处理市场的应用。由于 O3的产生与应用会带来较高的成本与投资，使得 AOPs 在废水用停留在实验室水平，O3发生器的原理在于平衡反应“O2<=>O3”的放电条件下电离反应的产物，高活性的氧化物种能量仅部分存在于合成需要气体干燥，由于 O3的水溶性较差，导致在处理溶液时气液余 O3的破坏就很有必要。
图 1-2 脉冲放电等离子体反应器电极简图：（a）液相介质中放电；（b）气相介质中放电；（c）混合气-液介质放电Figure 1-2 Diagrammatic sketches of pulsed discharge plasma reactors: (a) liquid dischargereactor; (b) gas discharge reactor; (c) hybrid gas-liquid discharge reactor1.2.2 直流电晕放电直流电晕放电是指无脉冲的电晕系统通过在气体或液体中的直流放电获得高通量电子，从而提供用于化学氧化的活性氧化物种。与 PCD 相反，直流电晕的优点在于它可以持续地产生自由基物种，但基于该特点，直流电晕放电也会消耗更多能量，并且受液体电导率的影响较为明显。Sano 等人[41]设计了一种在溶液中放电的线-板式电极结构直流电晕反应器，溶液位于接地电极板之上，，该反应器在负电晕电极处表现出极好的性能。之后，该团队又开发出了一种线-筒式湿壁反应器[42-44]，同样采用直流电晕放电的方式，可以实现结合在气相反应区引入气体吸收效应时，能够同时处理含酚废水及含乙醛
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
本文编号：2632350
【图文】：
华南理工大学硕士学位论文水的预处理和深度处理工艺，也可以通过与其他技术的联用，从而提及出水水质，这些优点也使得 AOPs 成为水处理领域的研究热点。诱导自由基产生的机理不同，AOPs 可以分为 O3法、Fenton 氧化法、式氧化法、超临界水氧化法等。AOPs 主要以 O3氧化法在水处理市场然而这些工艺仅仅在部分城市得到少量应用，在水处理市场的应用。由于 O3的产生与应用会带来较高的成本与投资，使得 AOPs 在废水用停留在实验室水平，O3发生器的原理在于平衡反应“O2<=>O3”的放电条件下电离反应的产物，高活性的氧化物种能量仅部分存在于合成需要气体干燥，由于 O3的水溶性较差，导致在处理溶液时气液余 O3的破坏就很有必要。
图 1-2 脉冲放电等离子体反应器电极简图：（a）液相介质中放电；（b）气相介质中放电；（c）混合气-液介质放电Figure 1-2 Diagrammatic sketches of pulsed discharge plasma reactors: (a) liquid dischargereactor; (b) gas discharge reactor; (c) hybrid gas-liquid discharge reactor1.2.2 直流电晕放电直流电晕放电是指无脉冲的电晕系统通过在气体或液体中的直流放电获得高通量电子，从而提供用于化学氧化的活性氧化物种。与 PCD 相反，直流电晕的优点在于它可以持续地产生自由基物种，但基于该特点，直流电晕放电也会消耗更多能量，并且受液体电导率的影响较为明显。Sano 等人[41]设计了一种在溶液中放电的线-板式电极结构直流电晕反应器，溶液位于接地电极板之上，，该反应器在负电晕电极处表现出极好的性能。之后，该团队又开发出了一种线-筒式湿壁反应器[42-44]，同样采用直流电晕放电的方式，可以实现结合在气相反应区引入气体吸收效应时，能够同时处理含酚废水及含乙醛
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 韦朝海;;煤化工中焦化废水的污染、控制原理与技术应用[J];环境化学;2012年10期
本文编号：2632350
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