工业废水的催化臭氧氧化研究

发布时间：2020-09-17 19:57

　　工业废水的治理一直都是我国重点关注的水环保问题。目前,我国大部分的水处理设施仍采用传统水处理技术,随着我国工业的发展,传统技术已经无法满足人们对水处理的要求。催化臭氧氧化作为高级氧化技术具有处理效果好、操作简单且不造成二次污染的特点,在工业废水的深度处理方面具有很好的应用前景。本文制备了 Mn-Ce/Al2O3和Mn-Co/Al2O3两种催化剂,通过连续反应操作方法对四种工业废水进行催化臭氧氧化处理,来探究氧化铝基催化剂的催化活性,并对催化剂的结构和性能进行表征。实验结果显示,Mn-Ce/Al2O3和Mn-Co/Al2O3催化剂对食品和印染废水在50 mg·L-1的臭氧投加下反应后COD分别由103.8 mg·L-1降为49.78 mg·L-1和42.26 mg·L-1以及由107 mg·L-1降到44.3 mg·L-1和43.7 mg·L-1;对煤化工和橡胶皮革废水在200 mg·L-1氧投加下,COD分别由117 mg·L-1降到53 mg·L-1和49 mg·L-1以及由93.6mg·L-1 降为 72.2 mg·L-1 和 64.3 mg·L-1。Mn-Co/Al2O3催化剂催化活性优于Mn-Ce/Al2O3催化剂,且两种催化剂对于食品、印染和煤化工废水催化效果较为理想对橡胶皮革废水催化效果较差,因此需要开发新型催化剂来提高催化反应效果。XRD和XPS的表征结果显示,氧化铝基催化剂负载的金属氧化物主要以无定型态存在,其中,Mn-Ce/Al2O3催化剂中Mn以Mn4+的形式存在,Ce以Ce3+和Ce4+的形式存在;Mn-Co/Al2O3催化剂中Mn以Mn4+的形式存在,Co是以Co2+和Co3+形式存在。以活性炭为载体制备催化剂,采用静态反应操作方法,以降解亚甲基蓝废水为目标反应,进一步优化催化剂的制备条件,并对催化剂进行表征,将其与Mn-Co/Al2O3催化剂的催化活性进行比较。结果表明,Mn-Co活性组分的负载量为2 wt%:2 wt%,400℃焙烧制备的催化剂效果最佳。Mn-Co/AC和Mn-Co/A1203催化剂对亚甲基废水在30 mg·L-1臭氧投加下,COD 分别由 105.88 mg·L-1 降到 42.11 mg·L-1 和 103.21 mg·L1 降到 65.28 mg·L-1;对于模拟橡胶废水的处理,在120 mg·L-1臭氧投加量下,COD分别由 98.45 mg.L1 降到 49.12 mg·L-1 和 98.45 mg·L-1 降到 77.52 mg·L-1。Mn-Co/AC催化剂的XRD和XPS的表征结果表明,金属是以无定型态氧化物的形式负载在催化剂表面,Mn以Mn2+和Mn3+两种价态的形式存在,金属Co以Co2+和Co3+两种价态的形式存在。通过连续反应实验对Mn-Co/AC催化剂的催化稳定性、耐磨性和金属溶出进行探究,并加入羟基自由基· OH抑制剂叔丁醇对催化反应机理进行研究。结果表明在亚甲基蓝废水初始COD为100 mg·L-1的情况下,90个小时内出水COD保持在40 mg·L-1～50 mg·L-1之间,催化剂的磨损率仅为8.7 wt%。催化剂负载金属基本不溶出,催化反应过程中有羟基自由基·OH产生,使得臭氧在反应过程中可以通过直接氧化和间接氧化双重作用对亚甲基蓝进行降解,进而催化效果得到了显著提高。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ426;X703
【部分图文】：

分解机理,臭氧,催化剂表面

图１－４臭氧在催化剂表面的分解机理逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｏｚｏｎｅ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｔａｌｙｓｔ逡逑（２）有机物首先吸附于催化剂表面，然后在于水中的自由基团发生氧化还原反应。逡逑这个反应体系中催化剂对有机物的吸附步骤为反应速率的控制步骤，金属氧化物催剂对臭氧的分解速率对于有机物的降解并没最直接的影响。逡逑（３）臭氧分子和有机物同时吸附于催化剂表面，臭氧分子被分解产生强氧化性自由基，随后催化剂表面有机物和自由基发生氧化还原反应。逡逑１．３．３．３臭氧与其他强化技术协同降解反应技术逡逑近年来臭氧与其他强化技术结合，协同处理工业废水的技术得到了广泛的研究。逡逑目前研究的比较多的有臭氧／紫外光联合技术，臭氧／电化学联合技术，臭氧／超声波合技术，臭氧／双氧水联合技术。逡逑（１）臭氧／紫外光联合技术是指在紫外灯照射的情况下，通过对臭氧的分解产生

示意图,静态操作,静态反应,催化剂评价

ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｍｅｔｅｒ；邋７．ＢＩＯＬＡＫ－Ｆｒｉｏｘ；８．Ｐｅｒｉｓｔａｌｔｉｃ邋ｐｕｍｐ；９．邋Ｗａｔｅｒ邋ｔａｎｋ；邋１０．邋Ｓａｍｐ邋ｌｉｎｇ邋ｍｏｕｔｈ；逡逑１１邋．Ｃａｔａｌｙｚｅｒ；邋１２．Ｒｅａｃｔｏｒ；邋１３．Ｔａｉｌ邋ｇａｓ邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｕｎｉｔ邋（ＫＩ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ）逡逑上图２－１为催化剂评价静态操作实验装置示意图。催化反应器由有机玻璃制成，逡逑反应器底部有底座而使其固定，反应器内径为５０邋ｍｍ，高度为１５００邋＿。上端有排气逡逑２１逡逑

示意图,连续反应,气体转子流量计,臭氧发生器

１０．Ｓａｍｐｌｉｎｇ邋ｍｏｕｔｈ；邋１１邋．Ｃａｔａｌｙｚｅｒ；邋１２．Ｒｅａｃｔｏｒ；邋１３．Ｔａｉｌ邋ｇａｓ邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｕｎｉｔ邋（ＫＩ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ）；邋１４．Ｐｅｒｉｓｔａｌｔｉｃ逡逑ｐｕｍｐ；邋１５．Ｗａｔｅｒ邋ｔａｎｋ逡逑上图２－２为催化剂评价连续反应实验装置示意图。该反应装置由静态反应装置改逡逑装而来。增加了一个蠕动泵和一个水箱。连续反应装置运行时，进水由进水水箱通过逡逑蠕动泵从反应器上端泵入，出水由蠕动泵从反应器底部的泵出。其他装置与静态反应逡逑装置一致。逡逑２．３．２．２催化剂评价连续反应操作方法逡逑在实验开始前

【参考文献】