有序介孔碳电化学同步除盐和矿化难降解有机物

发布时间：2020-06-04 00:01

【摘要】：随着水资源的日益缺乏.废水回用成为迫切的需求,但废水中的盐类和低浓度难降解有机物的存在制约着其回用。现阶段对于脱盐和去除难降解有机物均有不同的技术,但是脱盐的技术普遍不能降解有机物,而降解有机物的技术无法实现脱盐。本文将有序介孔碳材料(OMC)分别用于电吸附除盐(CDI)和非均相Fenton降解有机物,并且首次将CDI和电化学高级氧化技术耦合,发展了一种同步除盐和矿化难降解有机物的新方法。主要研究内容和结果如下：(1)以三嵌段共聚物F127、resol型酚醛树脂和正硅酸乙酯(TEOS)为原料,通过溶剂挥发诱导自组装制备OMC,系统考察了三组分搅拌时间、盐酸浓度、三组分比例、挥发乙醇温度等因素对OMC的孔结构参数的影响。结果表明盐酸浓度是最重要的影响因素,优化的条件为：搅拌时间不超过8 h,盐酸浓度为0.2 mol/L,挥发乙醇温度为60℃, TEOS/resol/F127的质量比为2.08：0.5：1.0。(2)将OMC用于CDI实验,对比研究了OMC、活性碳(AC)和中空活性碳纤维(ACHF)的电吸附行为,结果表明：OMC的电吸附等温线符合Langmuir或者Freundlich方程,最大吸附量达10.1 mg/g；吸附过程用近似一级动力学方程拟合,速率常数可达0.085 min-1。相比AC和ACHF, OMC的优势主要在于电吸附速率和脱附速率更快。系统研究了除盐工作条件和OMC材料性能对CDI的影响,其中电压和流速过高或者过低都不利于除盐,电极片厚度薄有利于除盐。表面基团对初期电吸附除盐影响较大,但对长期稳定性影响不明显。比表面积和孔径影响除盐长期稳定性。(3)考察了膜-电吸附除盐(MCDI)和非对称CDI装置的除盐效果。结果表明：MCDI装置的除盐量可达25 mg/g,是CDI的2.5-3倍,电流效率甚至高于100%,循环50次除盐量几乎没有衰减,而CDI循环50次除盐量下降50%。另外,正极采用未改性的碳材料,负极采用氧化改性的碳材料构成非对称CDI可以提高除盐效果。(4)考察了OMC和AC负载金属催化剂用于非均相Fenton反应降解对氯苯酚的效果。结果表明：介孔比微孔更有利于Fe氧化物的分散。在优化的工作条件下(催化剂焙烧温度300℃,反应pH为3,H202为6.6 mmol/L,反应温度30℃),使用OMC负载Fe催化剂反应270 min,对氯苯酚去除率可达96%,总有机碳(TOC)去除率47%,催化剂可重复利用。羟基自由基主要是通过固体催化剂溶解产生的铁离子与H2O2反应生成。另外,OMC负载Fe、Cu双金属催化剂的催化性能比Fe单金属催化剂更好,但金属离子溶出较多。(5)在以上研究基础上研究了一种同步除盐和矿化难降解有机物的电化学新方法,深入研究了盐和苯酚的去除机理以及电极的重复利用性能。在合适的实验条件下(NaCl浓度1000mg/L,苯酚浓度100mg/L,温度40℃,外加电压2.0V,通500 mL/minO2)反应300min除盐量达到40mg/g,苯酚去除率为91%,TOC去除率为65%。去除TOC和NaCl的能耗分别为89 kWh/(kg TOC)和4.2 kWh/(kg NaCl),即单位电耗能去除0.011 kg TOC和0.24 kg NaCl.苯酚的去除机理归结为电极物理吸附、电化学直接氧化和间接氧化,而盐的去除主要是电吸附作用。通过倒极的方式有利于电极重复利用。本文提出的同时脱盐和矿化有机物的方法,对开发含盐和有毒难降解有机物废水的低成本回用技术具有理论指导意义。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703.1

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