电催化臭氧法再生活性炭纤维研究

发布时间：2020-04-15 16:43

【摘要】：活性炭(Activated Carbons, ACs)是废水及饮用水处理过程中使用最频繁、最普遍的去除有机污染物的吸附剂。由于其具有较高的比表面积和孔隙结构,ACs可以有效吸附去除水介质中的多种污染物,如嗅味物质、人工合成有机物以及天然有机质等。然而,在水处理过程中,污染物持续吸附在ACs上,导致其逐渐趋于饱和,从而丧失进一步吸附污染物的能力。因此,有效地将ACs再生使其在水处理过程中循环应用是一种经济、低耗且环境友好的选择。理想的ACs再生技术应当使吸附在ACs上的有机污染物有效地矿化为H_2O和CO_2,从而在ACs再生的同时,减小脱附污染物及其转化产物的潜在环境风险。目前,ACs的再生技术主要有热再生、溶剂再生、电化学再生、臭氧再生等十余种,但每种技术均或多或少存在一定的缺陷,如高能耗、易产生二次污染、再生效率低等。活性炭纤维(Activated Carbon Fiber, ACF)是近年来发展起来的一种新型高效吸附材料,是继粉末活性炭(Powdered Activated Carbon, PAC)和颗粒活性炭(Granular Activated Carbon, GAC)之后的第三代活性炭产品,其微孔孔径小而均匀,在处理有机污染水体时往往具有更快的吸附速率和更高的吸附容量,作为环保和资源回收领域吸附分离的功能材料,被认为是21世纪最优秀的环保材料之一。本研究以ACF为吸附材料,苯酚和对硝基苯酚(PNP)为模型化合物,通过耦合臭氧和电化学再生技术,利用电化学方式将臭氧曝气中的氧气原位转化为过氧化氢(H_2O_2),并进而与臭氧发生过臭氧(peroxone)反应产生羟基自由基(·OH),开发了一种新型的ACs再生技术,即电催化臭氧(Electro-peroxone, E-peroxone)再生技术。论文系统研究了臭氧、电化学和E-peroxone再生技术对吸附饱和ACF的再生效率以及对脱附污染物的矿化效果,讨论了不同因素条件对E-peroxone技术再生效率的影响。通过研究三种技术再生前后ACF的物理化学性质变化,以及再生过程溶液中中间产物的变化规律,阐明了E-peroxone技术再生ACF的机理。通过能耗核算,初步评估了E-peroxone再生技术的实际应用前景。研究成果可以为水体有机污染物防治对策和ACs循环再生技术的发展提供科学依据,具有明显的理论意义、社会环境意义以及实际应用价值。(1)碳-聚四氟乙烯(carbon-PTFE)气体扩散电极在阴极能够高效地将溶液中的O_2电化学还原为H_2O_2,且不同电流强度下产H_2O_2的电流效率均可维持在80%以上。在E-peroxone技术再生ACF过程中,carbon-PTFE电极可以作为一种良好的阴极材料高效且稳定地产生H_2O_2。(2) E-peroxone技术的再生效率受到电流强度、臭氧浓度、再生时间以及再生次数等多种因素的影响。在电流强度为400 mA,臭氧浓度为65 mg/L,再生时间为3h条件下,臭氧、电化学和E-peroxone三种技术对吸附饱和PNP的ACF的再生效率分别为26.2%、98.2%和94.7%,且经过12次E-peroxone技术循环吸附再生后的ACF再生效率可保持在92～97%,未出现明显下降趋势。而吸附饱和苯酚的ACF经过12次E-peroxone技术循环吸附再生后的再生效率为71.9%,这可能与苯酚在ACF上的吸附具有一定的不可逆性有关。此外,高臭氧浓度条件下,经过E-peroxone技术循环吸附再生后的ACF孔隙结构和化学性质逐渐受到影响,再生效率明显下降。因此,在E-peroxone技术再生过程中应合理控制臭氧的浓度。(3)在E-peroxone再生过程中,被吸附污染物可在电诱导作用下有效地从ACF上脱附下来,同时O_3与阴极原位产生的H_2O_2可反应生成大量的·OH,脱附污染物及其转化产物则可被·OH迅速地矿化为H_20和CO_2,从而达到ACF有效再生的同时,消除了脱附污染物的二次污染。此外,ACF表面扩散层上高浓度的H_2O_2和阴极表面的负电势可以防止ACF被O_3或者-OH等氧化剂氧化,从而保证E-peroxone再生后的ACF可以有效多次循环使用。相比之下,较低的污染物脱附率和O_3氧化对ACF表面结构和化学性质的改变,是造成臭氧技术再生效率较低的两个主要原因。而电化学技术再生效率虽然相对较高,但再生过程中脱附在溶液中的PNP及其转化产物逐渐被氧化为对苯二酚、4.硝基邻苯二酚、偏苯三酚等,且随着再生时间的延长部分中间产物进一步氧化为小分子的羧酸并伴随着聚合物的出现,再生后溶液仍需二次处理。(4)ACF对苯酚和PNP的最大吸附容量分别为282.3和440.9 mg/g,且吸附速率较快,基本在1h内达到吸附平衡。与传统GAC或PAC吸附剂相比,ACF不仅具有更大的污染物吸附容量,而且可以快速有效地将污染物去除。ACF与E-peroxone再生技术结合起来,无疑将在水处理工艺中具有更广阔的应用前景。(5)臭氧再生、电化学再生和E-peroxone再生技术的能耗分别为1.28、1.77和0.45kWh/g TOC。因此,新型E-peroxone再生技术是一种更加绿色环保、经济可行的ACs再生技术。
【图文】：

示意图,超临界流体,再生技术,示意图

与传统溶剂再生技术相比，由于超临界流体更强的溶解能力，超临界流体再生技术逡逑的再生效率也相对较高，且对ＡＣｓ的化隙结构破坏较小，质量损失可忽略。此外，通过逡逑改变流体温度和压力条件即可将流体与溶质有效地分离，有利于污染物的回收利用或者逡逑集中处理，避免造成二次污染。然而，超临界流体技术需要高压系统，大规模应用时对逡逑工艺过程和技术质量要求高，设备费用大。且该技术目前大多限于超临界Ｃ0２流体，应逡逑用范围相对有限，大规模商业化应用仍需大量基础技术支持ｔｗｉ。逡逑１．３．３降解再生技术逡逑降解再生技术的原理是，在再生过程中，被吸附污染物在脱附后或直接在ＡＣｓ表面逡逑上通过一定的化学反应被降解矿化，，从而达到ＡＣｓ再生的同时，有效降低脱附污染物的逡逑二次污染。因此，降解再生技术的研究受到越来越多学者的广泛关注。目前，降解再生逡逑技术主要包括生物再生技术、电化学再生技术、臭氧再生技术、湿式氧化再生技术、光逡逑催化氧化再生技术、超声再生技术等。这些ＡＣｓ再生技术均来源于水处理技术中使用的逡逑＾

芬顿,臭氧,再生技术

１．３．３．３臭氧再生技术逡逑臭氧（Ｏｚｏｎｅ，邋0３）是氧气（Ｏｘｙｇｅｎ，邋0２）的同素异形体，是一种氧化性极强且具有刺激逡逑性气味的淡蓝色气体。鉴于0３自身较强的氧化能力及其可在ＡＣｓ上催化产生更强氧化逡逑能力的？０Ｈ，因此利用0３与ＡＣｓ的协同作用有效处理有机废水的报道屡见不鲜Ｉ１０ＷＷ，逡逑且己在污水处理厂等实际水处理过程中逐渐应用。臭氧再生技术则是先将ＡＣｓ置于有机逡逑污染水体中吸附饱和，再通过气态或者液态0３的方式将ＡＣｓ上吸附的有机物氧化降解，逡逑从而达到ＡＣｓ的再生。其基本原理可分为两方面，即污染物的直接氧化和间接氧化。一逡逑方面0３本身可将吸附在ＡＣｓ上的有机物直接氧化降解，见公式１．１，另一方面0３可在逡逑ＡＣｓ上催化产生更强氧化能力的，。比见公式１．２，从而间接将有机物氧化降解。逡逑ＣＳ＋0３邋一邋ＣＳ＋０］邋一邋ＣＳ＋0＋0２逦（Ｕ）逡逑ＣＳ＋＆＋Ｈ２Ｏ邋一邋ＣＳ＋２０Ｈ逦（１．２）逡逑
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ424.1;X703;X52

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