活性染料废水微波光氧化及其与膜分离耦合深度处理技术实验研究

发布时间：2020-06-26 20:36

【摘要】： 印染废水目前已成为我国第二大工业污染源,同时随着行业的不断发展,各种新型染料、PVA浆料、新型助剂等更为复杂的难生化降解的有机物大量进入印染废水,给常规生化方法处理带来了更大的挑战,印染废水的超标排放给环境水体造成了巨大的压力,国家及各级地方政府纷纷出台了更为严格的排放标准。在这种情况下,寻求继生化处理后适合印染废水深度处理的高效物化处理技术显得极为必要。光催化氧化方法作为一种行之有效的处理难降解有机物的高级氧化技术,其研究历史已近40年,其应用于印染废水的处理的研究在前期也积累了大量的实验室数据,人们对各种染料光催化降解的机理及其动力学过程也有了一定的认识。然而,该技术要实现工业化应用,仍然面临TiO2光催化光量子效率低下及悬浮态催化剂易流失等瓶颈问题。为此,包括环境、物理、化学等专业为数众多的研究者将研究集中在如何提高催化剂的光量子效率及催化剂的高效负载上,因此对于TiO2本身的研究似乎成了解决问题的焦点。而光源作为光催化氧化方法中极为重要的一个组成部分,其研究显得极为有限。本文以实现印染废水的深度处理为目标,为解决光催化氧化方法的工业化应用问题,将研究的着眼点放在新型光源上,并通过光催化与膜分离耦合解决悬浮态催化剂的高效分离问题,试图为光催化氧化方法在印染废水深度处理中的应用提供一种新的思路。本研究从分析不同波长紫外光源对典型活性染料的降解过程入手,通过分别考察长波紫外(365nm)与短波紫外(254nm)对活性艳红X-3B的TiO2光催化降解动力学过程,揭示波长这一因素在光催化氧化中的作用。研究结果表明,活性艳红X-3B在254nm光源照射下,同时发生直接光氧化和光催化氧化两种反应,而在365nm光源照射下,仅发生光催化反应；在365nm光源照射下,其降解动力学符合表观一级动力学方程,而且能用更为精确的L-H模型表述,在254nm光源照射下,数据拟合发现其降解过程符合二级反应方程,通过对比X-3B在两种光源下的降解半衰期发现,在同比条件下,365nm光源对活性艳红X-3B的降解半衰期为37.263min,而254nm光源则下降为0.855min。通过分析表明短波紫外比长波紫外具有更高的光量子效率。在比较波长对典型活性染料光催化效率影响的基础上,分析了现有光化学反应中所应用光源存在的问题,提出微波无电极紫外光源在应用于光化学反应的优越性。通过对Ar压力、体积、Hg量等影响发光体光谱特性的主要因素的实验,得出在本实验室条件下最佳的发光体设计参数,结合对微波辐射系统的重新设计并考虑其在水处理中的诸多应用问题,设计了一种新型结构的微波无极紫外光源,分析了该光源在启动、光谱等方面的特性,以常用高压汞灯为参比,对比二者在光谱强度、光谱均匀性、臭氧产量及羟自由产量等方面的差异。研究结果表明：在本实验条件下,控制发光体表面温度为40℃,Ar压力20Torr、Hg量5mg、直径1.7cm的发光体的短波紫外输出比例最高、强度最大；同高压汞灯相比,微波无极紫外光源在光谱强度、短波紫外辐射比例、光谱均匀性等各方面的性能均优于前者,微波无极紫外光源可以在大功率条件下实现高强度的短波紫外输出。应用微波无极紫外光源对偶氮类及蒽醌类典型活性染料进行直接光氧化及光催化氧化实验。分析了该光源同高压汞灯相比在直接光氧化活性艳红X-3B和活性艳蓝KN-R两种染料上的不同。实验结果表明微波无极紫外光源的直接光氧化作用明显,而普通高压汞灯不具备直接光氧化性能,实验结果进一步验证了前文波长实验的结果,通过TOC、HPLC、离子色谱等的分析,初步探讨了活性艳红X-3B的光氧化机理；通过对微波无极紫外光催化氧化方法中催化剂种类、催化剂浓度、染料浓度、pH值、曝气条件、无机离子种类等影响因素的各项实验,提出了各因素的合理取值。为了解决悬浮态TiO2催化剂的分离及回收问题,引入了膜分离的方法,并采用浸没式膜组件将微波光氧化和膜分离耦合到同一反应器中,实现微波光催化氧化和膜分离耦合运行。实验通过对临界膜压力及临界膜通量、膜组件形式、催化剂粒径、催化剂浓度、膜运行方式等因素的考察,确定了合适的膜分离条件；通过活性艳红X-3B在直接光氧化、光催化氧化、外加氧化剂氧化等条件下的降解效果对比,确定了合适的微波光催化氧化条件,并用微波光氧化-膜分离耦合工艺对实际生产印染废水进行了实验,确定了该工艺应用于印染废水深度处理的限制因素,为该工艺的工业化应用提供了参考。本文的创新点在于：(1)通过比较短波紫外光与长波紫外光在光催化降解典型染料活性艳红X-3B上的不同,指出了短波紫外条件下存在直接光氧化和光催化氧化两种反应,并得出短波紫外光催化光量子效率更高的结论；(2)通过对发光体惰性气体、汞量及体积的实验,得出了发光体的最佳设计参数,结合对微波辐射系统的改进设计了一种适合水处理用的新型大功率短波长微波无极紫外光源,并考察了该光源对典型染料的直接光氧化及光催化氧化性能；(3)将微波无极紫外光催化方法同膜分离方法结合,解决了悬浮态催化剂易流失的问题,为进一步的工程应用提供了参考。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703
【图文】：

染纱,皂洗,废水,车间

表现出一定的季节性变化，这可能与印染加工随人们一年四季的服饰要求而变化有关。进一步的调查发现，虽然印染各工序排放废水的水质差异很大，但是每一个单独的工序排放的水质却具有相对的稳定性，图l一3到图1一5分别为我们对某染纱车间皂洗废水PH、色度及COD为期两个月的监测结果。调查结果发现，原水pH值总体上比较稳定的分布在6一8之间，占总体监测数据的97.2%。这是因为染色之后有酸洗过程，会中和染色过程的碱性。但是仍然有接近3%的情况皂洗废水的pH值会大于8.0，这可能与在生产过程中存在酸洗不充分的情况有关。图1一4的结果表明，该类废水色度波动比较大，最低从16倍增加到最大值2048倍，但从总体来看，主要色度值以512倍色度与1024倍色度为主

发光体,加工制作,紫外发光,无极

以上各种发光体材料根据本课题具体设计参数均由江苏某灯泡厂代为加工制作。3.2.2实验方法实验装置如图3一4所示，实物照片如图3一5。首先对家用微波炉进行改装，分别开通风孔，红外测温仪探头孔，和光纤光谱仪探头孔，在微波谐振腔内部安装平行的两根高度可上下适当调节的石英灯架(作为发光体的支撑，同时可根据发光体形状和大小的差异调节高度，以保证红外测温仪探头正对发光体);通过微波控制器控制微波的强弱、通过红外测温仪和测温仪分别检测发光体表面温度和环境温度，通过气泵给微波谐振腔通风，通过光纤探头捕获发光体发射的光谱数据;通过Spectrastrite软件系统对光谱数据进行对比分析，光谱积分时间20ms，光谱强度直接从光谱图中读出，不同波长人，处的辐射峰值记为I

【引证文献】