非均相臭氧催化氧化对氯苯酚机理研究及其工艺应用

发布时间：2020-09-30 19:54

　　根据“十二五”国家对煤化工企业转型的要求，煤化工废水处理的重点由以前的达标排放转向如何进行深度处理并回用。目前煤化工企业普遍采用的A/A/O生化工艺，处理后出水中仍含有大量难降解有害的有机物，主要以酚类、氮杂环类物质等为主，难以应用于水回用系统。作为高级氧化技术（AOPs）之一，非均相臭氧氧化技术在温和的实验条件下，对于含有难降解有机污染物的工业废水的去除有很好的效果。为解决传统臭氧氧化技术臭氧利用效率低下、处理效果不理想等问题，本文以建立具有工业化应用前景的三相流化床非均相臭氧催化氧化系统为目标，研制负载型催化剂、考察反应体系降解有机物性能因素及条件、探讨与分析非均相臭氧催化氧化降解机制，为非均相臭氧催化氧化系统应用于煤化工生化二级出水深度处理奠定基础。建立非均相臭氧催化氧化体系过程中，对比不同活性组分的催化活性，筛选出优质降解效能的锰氧化物催化剂，通过对载体类型、前驱物及负载方式、浸渍液浓度、焙烧温度和焙烧时间等催化剂制备条件与催化性能的关系深入研究，发现制备条件对催化剂表面的形貌、表面结构、元素、面晶型结构及表面羟基数量有着重要影响。以硝酸锰为前驱物、γ-A12O3/TiO2为载体制备的催化剂MnOx/γ-A12O3/TiO2具有很好的降解催化效能。以MnO2、Mn2O3晶型结构形式存在的催化剂表面含有丰富的羟基基团及较高的零电位点pHzpc。以对氯苯酚（4-CP）为目标污染物，建立了三相流化床非均相臭氧催化氧化体系。臭氧与催化剂MnOx/γ-A12O3/TiO2（O3/MAT）有良好的催化降解作用，有机物去除效率彻底，矿化程度高。随着催化剂与水中臭氧浓度的增大、溶液初始pH值的增加以及水温的升高，O3/MAT组合工艺对氯苯酚去除效果逐渐增强。随着对氯苯酚初始浓度的增加，降解效果下降。另外，水体中常见的阳离子Na+、K+、Mn2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Al3+与无机阴离子Cl-、CO32-、HCO3-、SO42-、H2PO4-、HPO42-、PO43-对非均相臭氧催化氧化O3/MAT体系也产生一定抑制或促进作用。对非均相臭氧催化降解机理进行研究，发现催化剂表面丰富的羟基基团和较高的pHzpc对非均相臭氧催化氧化体系中臭氧的分解起到积极的促进作用。自由基抑制剂叔丁醇的加入显著抑制了对氯苯酚的降解，表明O3/MAT体系降解遵循·OH氧化机理。对体系中·OH、H2O2、·O2-的产生进行测定，并与表面羟基抑制剂磷酸盐之间的关系进行研究，表明催化剂MAT的加入有效增加了水中·OH、H2O2、·O2-的生成。催化剂MAT表面存在丰富的羟基基团，羟基基团的是臭氧分解的活性位，引发更多的·OH的形成，·OH是生成H2O2的关键因素，·O2-决定·OH的产生。非均相O3/MAT体系对水中对氯苯酚的降解经历芳族环的羟基化、由芳香族化合物向脂肪族化合物转化的开环反应，以及脂肪族链式化合物的氧化的过程，有机羧酸和芳香族化合物是主要的氧化中间产物。对苯醌、对苯二酚、4-氯邻苯二酚、4-氯间苯二酚、(E,E)-2,4-己二烯醛、苹果酸、丙二酸、草酸、乙酸、甲酸等为主要的降解产物。为了提高臭氧利用率及降解效能，针对实际煤化工生化二级出水的深度处理，建立了尾气梯级再循环方式运行的非均相臭氧催化氧化系统。不同时期废水TOC、COD、BOD、UV254、色度体现出差异性，非均相臭氧连续流系统表现出良好的降解处理效果，具有一定的抗有机负荷的能力。非均相臭氧催化体系对煤化工生化二级出水中的酚类、酮类、环境激素类物质、氮杂环、以及其他含氮有机物有很好的去除效果。本文所建立的非均相臭氧催化氧化反应系统对于难降解有机污染物处理效果好，臭氧利用率高，对于实际废水矿化和COD去除有很好的降解效果，该系统对臭氧技术应用于实际废水深度处理具有一定的指导意义，并有广阔的应用前景。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：X784
【部分图文】：

对氯苯酚,解过程,臭氧

3/·OH作用下降解过程如图1-1 图 1-1 对氯苯酚在臭氧分子和 O3/·OH 作用下降解过程[26]Fig. 1-1 The pathway of 4-CP by ozonation under zone molecular (a) and O3/·OH (b)Dantas等人研究臭氧与序批式生物膜反应器（SBBR）相结合的工艺降解水中对氯苯酚[27] 实验结果表明，反应液浓度从100~500 mg/L，臭氧流量为5.44~7.57 g/h，对氯苯酚在40~80 min内降解彻底预臭氧化前后，水体可生化性指标（BOD5/COD）由从0增加至0.2~0.37，检测到臭氧预氧化后的中间产物主要是对苯二酚和苯醌，在对氯苯酚未完全去除前，对苯二酚苯醌便开始经历氧化降解为易生化降解的短链酸，由于生物降解性的改善增强了环羟基化，

作用机理,臭氧

臭氧反应作用机理[89]

存在条件,催化降解,非均相,臭氧

3存在条件下，臭氧催化降解DMP的作用机理，如图1-3所示途径I，臭氧直接攻击，取代 DMP周围的苯环；由于降解过程产生的中间体抑制臭氧分子，途径Ⅱ相对缓慢；催化臭氧过程中，催化剂TiO2/Al2O3表面促进产生·OH，即途径Ⅲ，此途径是降解DMP后期消耗臭氧的主要途径；·OH降解DMP及其中间产物，分别为途径Ⅳ和途径Ⅴ，这些过程有助于促进体系的矿化；UV的加入促进·OH的产生，即途径Ⅵ；催化剂在反应过程中吸附中间产物，即途径Ⅶ，对有机物的矿化起到一定的作用图 1-3 催化剂 TiO2/Al2O3存在条件下非均相臭氧催化降解 DMP 的简单作用机理[99]Fig. 1-3 Simplified reaction mechanism of catalytic ozonation of DMP using TiO2/Al2O3Qiang 等人研究活性炭负载Fe(Ⅲ)臭氧催化氧化降解农药氧化乐果的结果表明

【参考文献】