低能耗电化学处理含盐有机废水的研究

发布时间：2020-07-11 23:51

【摘要】：本研究基于含盐有机化工废水的特点,以不同电导率有机废水为研究对象,分别探讨了电化学过程中阳极直接氧化、活性氯间接氧化、阴极电芬顿机制对废水中有机物矿化过程的影响,进而引入了微流体反应器和反向电渗析反应器,分别探索了这两种反应器在处理低、高含盐有机废水时的反应机制和有机物矿化效率,并对其技术性与经济性进行了分析和比较,从而对反应过程进行了优化,为低能耗电化学有机废水处理技术开发提供理论和技术依据。主要研究内容和结果分述如下:(1)使用传统电化学反应器,在处理含低盐(50 mg L~(-1)NaCl)苯酚废水的过程中,BDD(掺硼金刚石电极)阳极产生的强氧化性羟基自由基可对废水中存在的苯酚进行彻底矿化,但溶液中的低电导率致使较高的槽电压,因而需要较高的能耗,电流强度为16.4 mA,电解6 h后,TOC去除率83%,能耗高达57.24 kW·h m~(-3);当废水中NaCl含量较高(100 g L~(-1))时,DSA(Ti/RuO_2)作为阳极可促进活性氯的产生,阳极析氯反应带来的间接氧化作用是苯酚降解的主要机制,但是反应过程中产生的难降解中间产物使废水中有机物仅得到部分去除,导致了较低的电流效率,电流强度为16.4 mA,电解6 h后,TOC去除率44%,电流效率21%;在阴极电芬顿苯酚废水处理过程中,溶液中H_2O_2的积累量限制了苯酚的降解效率。电流强度为16.4mA,电解6 h后,TOC去除率41%,电流效率20%。(2)针对使用碳毡阴极的电芬顿过程中H_2O_2积累量较低的问题,评估了与阳极过程相关的极板面积、极板性质、电流密度(电压)、溶液混合速率等的影响。改变了以往只关注阴极作用的研究模式,提出了增加阴/阳极板面积比率,配合控制电压或电流密度、转速等,可增加阴极产生H_2O_2的同时减少H_2O_2在阳极表面的分解反应,有效的提高了电流效率,并可避免由复杂电解设备和极板材料改性而带来的高昂成本。特别是证明了使用Ti/IrO_2-Ta_2O_5阳极,阳极表面积的比率为4时(阴阳极板面积分别为8 cm~2和2 cm~2),在工作电位-0.9 V vs.SCE和转速600 rpm作用下获得了7.3 mM的H_2O_2积累浓度,与阴阳极表面积比率为1时相比增加了3.4倍。(3)针对低盐废水直接电化学氧化过程中的高能耗问题,分别使用传统电解反应器在无添加电解质、加入Na_2SO_4做为电解质以及微流体反应器在无添加电解质的条件下对实际低电导率脱脂废水进行处理。在传统反应器无外加电解质的情况下,TOC去除率70%时对应302.4￥/m~3的运行成本;当添加0.05 mM Na_2SO_4作为电解质时,由于槽电压的降低,使得在TOC去除率70%时对应的运行成本降至27￥/m~3,但电流强度较高时,添加过量的Na_2SO_4使得S_2O_8~(2-)弱氧化剂的过量产生阻碍·OH的生成,从而导致较低的TOC去除率;使用具有非常低极板间距离(50μm)的微流体反应器,低槽电压以及较高的质量传质效率使得反应过程中在不添加电解质条件下即可获得很高的TOC去除率和很低的能量损耗,TOC去除率80%时对应仅15.7￥/m~3的运行成本。(4)针对高盐废水间接电化学氧化过程中低电流效率的问题,使用反向电渗析反应器,借助含高低盐(NaCl)有机废水中存在的盐度差,在阴阳离子交换膜的作用下产生电能,高盐废水在DSA-Cl_2(Ti/RuO_2)阳极的作用下,通过活性氯间接电化学氧化的作用将废水中的有机污染物去除。在60组膜体系下,模拟实际石油废水中的盐度梯度,当高低盐废水中分别含有143 g L~(-1)和78.77 mg L~(-1)NaCl,组装60组阴阳离子交换膜并连接3.7?负载电阻时,高盐废水可在连续流运行状态下持续获得70%的甲酸去除率。实现了在无外加电场作用下对高盐废水高效稳定的去除目标,彻底解决电化学废水处理工艺面临的能耗问题。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

同极板材料活性氯产生差异最主要的原因体现在极板表面结构的差异上面呈现多孔结构，在电解过程中由于极板表面的析氧反应会引起水质的酸孔阳极表面所表现的 pH 比溶液中更低，而且其与溶液之间会存在一个 pH 条件有利于活性氯在电解过程中的产生量[62]。鉴于此种情况，即使电解件下进行，由于多孔阳极表面独立的酸性层的作用，亦可产生少量活性氯液中的污染物。H 的影响氯间接电化学氧化在反应过程中会发生很多副反应，不同的 pH 会对这些很大的影响，主要表现在：（1）影响溶液中水和氯离子的氧化过程，低氯反应的发生，产生更多的活性氯氧化剂从而增强废水中有机污染物的降各类氯化物（Cl2(aq)、Cl3-、HClO、ClO-）在溶液中的相对含量。Martínez- M NaCl 电解过程中所产生的活性氯物质在不同 pH 条件下的分配规律进图 1-3 所示，当 pH 小于 3 时，主要产生 Cl2，并存在少量 Cl3-，pH 在 4以 HClO 的形式存在，当 pH 大于 8 时，主要以 ClO-的形式存在。通常情况电位是 1.36 V vs. SHE，HClO 的析出电位为 1.49 V vs. SHE，ClO-的析出

图 1-3 不同 pH 下溶液中活性氯的存在形式Fig. 1-3 Speciation diagram for the chlorine vs pH使用 Ti/PbO2电极处理某工业废水的二沉池出水时，在 COD 的去除效率基本保持不变，但是当 pH 继续增加至低。相似的，Aquino 等[65]使用 Si/BDD 电极对含氯化钠拟废水进行处理，在 pH4～7.5 时分别获得了较高和较低下氯酸盐和高氯酸盐的产生，使得电解过程中产生较少指出的是，由于电解过程中会产生缓冲物质，因此在整持在 8.0～8.5 之间[66]。的影响氯的过程与诸多因素有关，通常情况下，反应过程中由电解液流速/转速控制的质量传质过程同时存在且相互影电化学氧化过程进行了分析，具体可分为两类[67]：应强于析氯反应：主要表现在 NaCl 含量较低、pH 较高、机污染物种类难以被活性氯分解等要素。在 Donaghue

图 1-4 电芬顿反应过程的主要机理示意图[92]ematic diagram of the main mechanism of the electric Fenton reactionenton工艺相比，电芬顿废水处理工艺的优点主要表现在以有效的避免了在运输、储存或处理过程中的风险；可通过力学过程，从而为机理研究提供可能；由于阴极表面 Fe染物的降解率被提高，同时污泥产量得到极大的削减；等量的有机污染物质所需运行成本能够被有效的控制[86]过程中的作用效果，研究者们从 pH、电流密度、催化剂能够参与反应的溶解氧含量等多个方面对反应条件进行性，优化反应器设计，以期提高废水中羟基自由基的产解效果[88,93-98]。，溶液中芬顿试剂由 Fe2+转化为 Fe3+后与氢氧根结合产程中能够产生的 OH 极度减少，直至随着 Fe2+完全转化yrkowicz 和 Kavitha 等[100,101]分别指出过高和过低 pH 都不

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本文编号：2751108