活性炭负载金属氧化物催化臭氧降解木素衍生物的研究

发布时间：2020-04-21 01:00

【摘要】：制浆造纸废水成分复杂、有机物浓度高、色度深、含有毒性污染物,属难生物降解工业废水。其中的木素及其衍生物是制浆和漂白过程中产生的主要有机污染物,是造成制浆造纸废水经二级生物处理后仍具有较高的化学需氧量、较深的颜色、不能满足排放标准的主要污染物。本论文较系统地研究了活性炭负载金属氧化物催化臭氧氧化降解木素衍生物(丁香酚、愈创木酚、藜芦醇)的效果及规律,并对机理进行初步探讨,为催化臭氧-生物处理联合工艺和催化臭氧技术在降解造纸废水中的木素衍生物及其他难降解有机污染物的的实际应用提供了重要的科学数据。首先制备了活性炭负载金属氧化物催化剂(Fe/AC、Cu/AC、Ni/AC),并对制备的催化剂进行表征,结果表明:制备的Fe/AC、Cu/AC、Ni/AC催化剂的活性炭表面上分别成功负载了活性组分Fe_2O_3、CuO和Cu_2O、NiO。应用制备的催化剂催化臭氧氧化降解木素衍生物,考察催化剂种类、负载量、加入量和初始pH对催化臭氧氧化降解木素衍生物过程中COD_(Cr)去除效果的影响,并对降解过程中COD_(Cr)的去除反应动力学进行研究。结果表明:催化剂负载的活性组分特性对臭氧氧化降解木素衍生物有重要的影响,不同的活性组分对臭氧氧化降解不同木素衍生物具有不同的催化活性,其中Fe/AC催化剂催化臭氧处理丁香酚具有最高的催化活性,在pH为11、负载量3%、Fe/AC加入量0.5 g/L条件下,反应60 min后COD_(Cr)去除率达到91.2%;Cu/AC催化剂对臭氧处理愈创木酚具有最高的催化活性,在pH为11、负载量3%、Cu/AC加入量1.0 g/L条件下,反应60 min后COD_(Cr)去除率达到90.29%;Ni/AC催化剂对臭氧处理藜芦醇具有最高的催化活性,在pH为11、负载量5%、Ni/AC加入量1.5 g/L条件下,反应60 min后COD_(Cr)去除率达到92.95%,表明不同催化剂种类催化臭氧氧化降解不同木素衍生物过程中COD_(Cr)去除效果不同。动力学分析表明:催化臭氧氧化降解木素衍生物过程中,COD_(Cr)的降解过程符合表观二级动力学规律,AC上负载的活性组分有效提高了动力学速率常数,加快了木素衍生物降解的速率。其次,可生化性分析表明:Fe/AC、Cu/AC和Ni/AC催化臭氧处理能显著提高木素衍生物的可生化性。在催化氧化时间为60 min时,丁香酚、愈创木酚、藜芦醇的BOD_5/COD_(Cr)分别达到0.59、0.46和0.61。自由基捕获剂投加实验表明:Fe/AC、Cu/AC和Ni/AC催化臭氧氧化过程中木素衍生物的降解反应过程遵循羟基自由基反应机理,·OH在木素衍生物的降解过程中发挥关键作用。UV-Vis吸收光谱和GC-MS分析表明:在Fe/AC、Cu/AC和Ni/AC催化臭氧化过程中,木素衍生物的结构被破坏,生成中间产物,中间产物经过一系列的反应后降解,使木素衍生物模拟废水中难降解物质逐渐减少,这对木素衍生物模拟废水处理产生了积极的影响,可能是木素衍生物可生化性改善的主要原因。最后,应用制备的催化剂催化臭氧处理制浆造纸废水,结果表明:废水中的木素衍生物等污染物在反应过程中被逐渐降解去除。制备的催化剂处理制浆造纸废水对COD_(Cr)的去除效果从大到小顺序为Ni/ACFe/ACCu/AC。废水中污染物的降解反应遵循羟基自由基反应机理,废水COD_(Cr)的去除符合表观二级动力学规律,活性炭负载的活性组分有效提高了反应的动力学速率。催化臭氧处理能较大地提高制浆造纸废水的BOD_5/COD_(Cr)值,在反应时间为60 min时,BOD_5/COD_(Cr)达到0.61,比0 min时提高了35倍。表明催化臭氧技术可以作为生物处理的预处理方法,有效提高后续生物处理降解制浆造纸废水中木素衍生物等污染物的效率。
【图文】：

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理吸附仪 ASAP 2020 美国麦克仪器公司外可见分光光度计相色谱－质谱联用仪DR6000Agilent 5973美国哈希有限公司美国安捷伦有限公司实验方法1 催化臭氧氧化实验方法催化臭氧氧化实验装置如图 2-1 所示。取水样 500 mL，用 25%H2SO4（质量分和 10%NaOH（质量分数）溶液调节至所需 pH 值，加入到反应器中。在反应一定量的催化剂，并放置在恒温磁力搅拌器上，温度为 25℃。氧气依次经过气体流量计后进入臭氧发生器，反应系统的臭氧通过位于反应器底部的微孔头（平均微孔直径 80~100 μm）提供，通入气体流量 1 L/min，臭氧质量浓度。废水经臭氧处理一定时间后取样，经 0.45 μm 滤膜过滤后测定废水的 C

流程图,催化剂制备,流程图

华南理工大学硕士学位论文催化剂制备及使用活性炭(Activated carbon，20-60 目)经煮沸 1 h 并冷却、抽滤后，用去离子至上清液澄清，依次用 15%硝酸溶液（质量分数）、15%氢氧化钠溶液（浸泡后洗至中性，置于烘箱中于 105℃下干燥 8 h，之后放入干燥器备用。 AC 颗粒浸渍在不同质量浓度的 Fe(NO3)3、Cu(NO3)2、Ni(NO3)2溶液中，振荡器中以 150 r/min 的速率震荡 12 h，滤去多余的浸渍液，于 105°C 下干入以氮气作为保护气体的管式炉中，以 3 °C/min 的升温速率加热至 650°C 3 h，冷却后即获得不同负载量的 Fe/AC、Cu/AC 和 Ni/AC 催化剂。反应剂从废水中过滤分离出来，，去离子水清洗干净并风干，应用回收的风干的重复性实验。
【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】：X793

【参考文献】