铈氧化物催化臭氧化降解双酚A废水研究

发布时间：2017-04-10 09:17

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【摘要】：双酚A(双酚基丙烷)作为重要的化工原料,是一种难自然降解的内分泌干扰物质,其在环境中的广泛分布将通过天然激素的干扰对生物和人体造成危害。论文用臭氧化气体为氧化介质开展去除废水中双酚A研究,在单独臭氧化反应降解双酚A效能研究的基础上,以负载型铈氧化物为催化剂,研究了非均相催化臭氧氧化降解双酚A的工艺条件,结合氧化铈催化剂的特性表征探讨了其催化臭氧作用机理,通过中间产物的表征分析推测了双酚A催化臭氧化的降解历程。结果表明：在单独臭氧化过程中,双酚A废水的TOC去除率与反应pH和臭氧投加量成正相关且反应符合一级动力学。反应pH为11时,其TOC去除率为65.4%比pH为2的条件下提高了25.6%；臭氧投加量为40 mg/L时,其TOC去除率为73.4%,较10 mg/L的臭氧投加量提高了31.1%,臭氧投加量比例增大并不能使TOC去除率同比例增加；不同初始双酚A浓度与TOC去除率呈负相关,反应符合一级反应动力学,在双酚A初始浓度为80,mg/L时,其TOC去除率仅有30.2%；温度为20℃时,其TOC去除率分别较40和50℃提高29.1%和34.8%。研究考察了4种无机阴离子对单独臭氧化降解双酚A废水的影响,其影响程度由小到大依次为：NO3-Cl-HPO42-CO32-。最优工艺条件下,单独臭氧化降解双酚A废水符合一级反应动力学,其TOC去除率和拟合方程分别为：64.1%,Y=-0.015X-0.082(R2=0.9816)。浸渍法制备的负载型铈氧化物,分别用SEM、EDS、FT-IR及XRD等手段进行特性表征,结果显示Ce元素以CeO2的形式负载于A1203上。不同因素对于CeO2/Al2O3催化臭氧化降解双酚A的影响行为与单独臭氧化一致, CeO2/Al2O3催化臭氧化符合一级反应动力学,双酚A废水的TOC去除率和反应速率常数均高于单独臭氧化体系。催化剂的加入会在短时间内提高TOC去除率,在最佳条件下,反应10 min后,其TOC去除率相对于单独臭氧化提高了35.4%,另外催化剂在使用十次后其晶相未改变且TOC去除效果稳定。CeO2/Al2O3催化臭氧化降解双酚A废水遵循羟基自由基反应机理,CeO2的表面带负电,发生了水合羟基化过程；催化剂的表面羟基是催化反应的活性位点,臭氧分子、羟基自由基以及双酚A分子在其活性位点进行氧化反应；催化剂的加入会促进水中臭氧的衰减,其臭氧利用率提升。GC-MS分析结果推测·OH最先将双酚A的C-C键和O-H键进行破坏,形成单环状的苯系物,进而将其分解为小分子有机酸、酮类及醛类物质；臭氧分子在CeO2表面的吸附能说明臭氧分子在CeO2表面的吸附是化学吸附且吸附过程中并未发生分解。因此,研究认为CeO2/Al2O3催化臭氧化降解双酚A主要是通过有机分子和臭氧吸附于催化剂的表面,CeO2催化臭氧分解引发自由基链式反应,在其表面和水相中形成氧化自由基物种和·OH等物质,进而去除水中双酚A分子。
【关键词】：CeO_2/Al_2O_3 催化臭氧化 自由基 降解 双酚A
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 引言9
• 1.2 双酚A9-13
• 1.2.1 双酚A的理化性质及危害10-11
• 1.2.2 双酚A废水的处理方法11-13
• 1.3 非均相催化臭氧化技术13-20
• 1.3.1 金属氧化物13-17
• 1.3.2 负载金属氧化物17-18
• 1.3.3 活性炭18-20
• 1.4 稀土催化臭氧化技术20-21
• 1.5 本论文研究目的、意义及主要内容21-23
• 1.5.1 本论文研究的目的及意义21-22
• 1.5.2 本论文研究的主要内容22-23
• 第2章 单独臭氧化降解双酚A及动力学研究23-34
• 2.1 实验材料与方法23-25
• 2.1.1 实验材料23-24
• 2.1.2 实验装置及实验过程24-25
• 2.1.3 分析方法25
• 2.2 不同工艺参数的影响行为25-33
• 2.2.1 pH的影响25-27
• 2.2.2 臭氧投加量的影响27-28
• 2.2.3 不同BPA初始浓度的影响28-29
• 2.2.4 不同温度的影响29-30
• 2.2.5 无机阴离子的影响30-31
• 2.2.6 最佳工艺条件降解效果及反应动力学分析31-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第3章 CeO_2/Al_2O_3催化臭氧化降解双酚A及动力学研究34-50
• 3.1 实验材料与方法34-37
• 3.1.1 实验材料34
• 3.1.2 实验装置及实验过程34-35
• 3.1.3 催化剂的制备35
• 3.1.4 分析方法35-37
• 3.2 催化剂的特性表征37-40
• 3.2.1 催化剂的形貌分析及表面元素37-38
• 3.2.2 催化剂表面官能团38-39
• 3.2.3 催化剂晶体结构39-40
• 3.3 不同工艺参数的影响行为40-46
• 3.3.1 pH的影响40-41
• 3.3.2 不同BPA初始浓度的影响41-42
• 3.3.3 臭氧投加量的影响42-43
• 3.3.4 催化剂投加量的影响43-44
• 3.3.5 温度的影响44-45
• 3.3.6 无机阴离子的影响45-46
• 3.4 催化剂稳定性测试46-47
• 3.5 催化/单独臭氧化降解双酚A对照47-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第4章 CeO_2/Al_2O_3催化臭氧化降解双酚A机理研究50-66
• 4.1 实验材料与方法50-52
• 4.1.1 实验材料50
• 4.1.2 实验方法50
• 4.1.3 分析方法50-52
• 4.2 金属氧化物催化臭氧化机理探讨52
• 4.3 CeO_2催化臭氧化降解BPA机理分析52-60
• 4.3.1 羟基自由基的验证52-53
• 4.3.2 不同催化剂催化臭氧化降解有机物分析53-54
• 4.3.3 CeO_2水合羟基化过程分析54-56
• 4.3.4 CeO_2面吸附-氧化分析56-58
• 4.3.5 CeO_2催化臭氧化引发·OH分析58-60
• 4.4 CeO_2催化臭氧化降解BPA历程分析60-62
• 4.4.1 CeO_2催化臭氧化降解BPA中间产物分析60-61
• 4.4.2 CeO_2催化臭氧化降解BPA可能的路径分析61-62
• 4.5 CeO_2催化臭氧化密度泛函理论计算62-64
• 4.5.1 臭氧分子在CeO_2表面的吸附能计算62-63
• 4.5.2 臭氧分子在CeO_2表面的TDOS和PDOS63-64
• 4.6 本章小结64-66
• 第5章 结论与建议66-68
• 5.1 结论66-67
• 5.2 建议67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果77

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本文编号：296394