P25薄膜光催化降解水中喹啉及其中间产物的微生物抑制效应研究

发布时间：2020-10-14 23:29

　　 光催化技术能够有效解决水中多种人工合成有机物的持久性污染问题,其与生物处理技术的联合应用在污水处理领域展现出明显的优势。然而,受粉体光催化剂使用过程中回收困难,且光催化氧化耗时长、能耗大等问题,限制了其在实际工程中的应用。众多研究显示,难降解有机物经过光催化处理后,其出水仍具有一定的微生物抑制性。据此,本项目以典型化工原料喹啉为研究对象,利用光催化技术与生物处理技术相结合,系统研究了光催化材料制备、喹啉的光催化降解行为及其出水对活性污泥的影响,主要成果如下: 以制备磁分离型粉体催化剂为目标,采用沉积-沉淀法在纳米Fe_3O_4表面负载Au颗粒,制备了系列FeO_x/Au催化剂。经过煅烧后部分Fe_3O_4被氧化生成α-Fe_2O_3提高了光催化活性,但仍具有良好的磁分离效果。表面负载Au能够增强FeO_x/Au的光催化活性,但其对水中喹啉的降解速率明显低于Deguessa P25 TiO_2。 在不加粘结剂的前提下采用浸渍涂布法在多孔镍基片上负载P25 TiO_2,制备成一种多孔镍基P25薄膜。保持负载浓度为10 wt.%时制备的P25薄膜具有最佳的光催化活性,其原因是薄膜具有大比表面积和多孔结构,表面存在大量微裂痕,而且热处理并没有明显改变P25 TiO_2的晶相,并促使基片上Ni以金属镍和氧化镍共存体(比例为12 at.%)扩散到薄膜表面。 相应地,以10 wt.%浓度制备的P25薄膜为光催化组件,设计并制作了一种连续流内循环光催化反应器,分别考察了初始浓度、光照时间、光强、曝气量等条件下对水中喹啉去除效果的影响。结果表明:增大光照强度、曝气量和延长反应时间能够明显提高水中喹啉的光催化降解率,反应温度和初始浓度不是主要的控制步骤。保持初始溶液pH=4时水中喹啉的去除效率最高。 水中喹啉的光催化降解符合Langmuir- Hinshelwood动力学模型,这说明水中喹啉的光催化氧化过程主要发生在P25薄膜的表面,光生电子-空穴派对的直接还原和氧化是水中喹啉初步降解的主要步骤。增大初始浓度有助于提高水中有机物的去除率,但会降低喹啉的去除速率,这主要是受产物竞争吸附和竞争氧化自由基的影响;水中喹啉的降解活化能为16.9kJ/mol,表观吸附常数为0.024 L/mg。水中喹啉光催化降解动力学的表达式为: r_a=0.35×10~(-3)exp(-16906/RT)I_a~(0.53)×1.29C_(o2_/(1+1.29C_(o2))×0.024C_q/(1+0.024C_(q0)) HPLC和GC/MS分析结果显示喹啉光催化降解产物中包括2-和3-吡啶甲醛、2-和3-乙酰吡啶以及2-羟基喹啉。在有氧条件下TiO_2表面的喹啉存在一条可能的降解途径:首先是TiO_2吸附氧分子的接受光生电子生成O_2~-,其在水相中具有一定的存活时间从而可以参与喹啉的光催化过程,其吸收的光生电子向TiO_2表面活性点位释放时,也会出现向相邻吸附位置的喹啉分子中-2位释放,从而在-2位引入氧基并在氧化物种作用下生成2-羟基喹啉,这样增大了吡啶环上-3位电荷密度促使该点位被氧化,最终导致吡啶环在2,3-位开环,生成一系列苯系物。 以活性污泥为受试物,检验了喹啉光催化降解30min和60min时,对可培养细菌和酶活性的影响,结论显示光催化降解30min出水不利于活性污泥中可培养细菌的生长,受总生物量降低的影响,脱氢酶、蛋白酶活性明显下降。喹啉水溶液经过60min光催化降解后,并没有抑制水中细菌的生长,活性污泥中存在土著菌群具有专性降解或共代谢降解喹啉及其中间产物的特性。 进一步构建连续流光催化-生物处理组合实验模型,研究了喹啉水溶液的降解过程,当光催化降解时间为60min时,组合系统出水中CODCr值保持在50mg/L左右,具有稳定的去除效率。当降解时间调整为30min时,出水CODCr值上升到90mg/L,且出水呈现粉红色。最后利用PCR-DGGE技术分析了喹啉水溶液光催化氧化后对活性污泥中微生物群落结构的影响,结果显示光催化30min的喹啉水溶液对活性污泥中微生物具有抑制性,微生物物种多样性下降,未培养细菌Clostridium sp.适应低营养基质条件使种群数量增大,而Sphingopyxis granuli sp.能够优先利用或共代谢喹啉水溶液光催化出水中的有机物从而发育成为新的优势种群,其作为可培养土著细菌可以直接从活性污泥中筛选并获得具有高效降解性的纯菌株。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：X703
【部分图文】：

[3]，如图1-1所示。图1.1 含喹啉分子结构的典型药物Fig 1.1 Typical medicine with quinoline structure

[5]。图1.2 典型含喹啉分子的染料结构式Fig1.2 Typical dye with quinoline structure1.2.3 农药2-和8-羟基喹啉是喹啉的主要氧化产物，也是重要的农药中间体，可用于生产杀虫剂喹硫磷和除草剂禾草克、灭草喹，如图1.3所示。图1.3 含氮杂环的代表性农药分子结构式Fig 1.3 Molecular structural formula of typical farm chemical with nitrogenheterocyclic ring

1.2.3 农药2-和8-羟基喹啉是喹啉的主要氧化产物，也是重要的农药中间体，可用于生产杀虫剂喹硫磷和除草剂禾草克、灭草喹，如图1.3所示。图1.3 含氮杂环的代表性农药分子结构式Fig 1.3 Molecular structural formula of typical farm chemical with nitrogenheterocyclic ring
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 周俊;徐圣友;胡晓倩;;P-25纳米TiO_2在含酚废水处理方面的应用[J];资源开发与市场;2011年09期

2 黄艳芹;;PW/MCM-41光催化降解亚甲基蓝的动力学研究[J];河南师范大学学报(自然科学版);2011年04期

3 法文君;李品将;樊静珂;;N掺杂纳米TiO_2的快速合成及其光催化活性研究[J];河北化工;2011年07期

4 樊丁;崔文娟;顾玉芬;张新磊;;铁掺杂TiO_2纳米管阵列的制备及可见光光催化性能[J];兰州理工大学学报;2011年04期

5 孟阿兰;徐啸;李镇江;;ZnO/Ag/CdCO_3纳米复合光催化剂的制备及性能研究[J];纳米科技;2011年03期

6 谭怀琴;全学军;赵清华;桑雪梅;高国文;;用旋转薄膜浆态光催化反应器光催化降解焦化废水的实验[J];重庆理工大学学报(自然科学);2011年08期

7 黄明强;张宇;吴骥;程诚;吴婷桦;蒋小娇;王小铎;;城市污泥-二氧化钛复合材料制备研究[J];中国资源综合利用;2011年08期

8 梅雪峰;宋继梅;王红;高菲;;六方相MoO_3的制备及其光催化活性[J];广州化工;2011年12期

9 徐瑛;何小松;陈雪梅;王燕;熊伟;;壳聚糖/二氧化钛的制备及其抗菌光催化性能[J];应用化工;2011年06期

10 徐腊梅;江龙;淡宜;;聚乙烯醇溶液的紫外光催化降解[J];高分子材料科学与工程;2011年08期

相关博士学位论文 前10条

1 朱遂一;P25薄膜光催化降解水中喹啉及其中间产物的微生物抑制效应研究[D];东北师范大学;2011年

2 艾智慧;微波/超声辅助光催化降解氯酚的研究[D];华中科技大学;2004年

3 张雯;Pt/TiO_2光催化降解苯的磁场效应[D];福州大学;2004年

4 丁正新;微波辐射对TiO_2制备及光催化过程的影响[D];福州大学;2005年

5 徐悦华;纳米二氧化钛光催化降解有机磷农药的研究[D];华南理工大学;2001年

6 罗永松;多缺陷/超短碳纳米管及负载催化剂的制备与特性研究[D];华中师范大学;2007年

7 姜平;序批式电解与可见光催化降解4-NP的研究[D];大连理工大学;2011年

8 李芳柏;改性二氧化钛的制备、表征及其在光催化处理染料废水中的应用[D];华南理工大学;1999年

9 周伟民;一维碳化硅纳米材料的制备与性能的基础研究[D];上海交通大学;2007年

10 万斌;Ag，N掺杂对TiO_2纳米管电极光催化降解有机染料的影响[D];上海大学;2008年

相关硕士学位论文 前10条

1 曲艺;云母珠光颜料工业废水处理方法及机理研究[D];武汉理工大学;2005年

2 王向锋;TiO_2光催化降解2，4-二氯酚的研究[D];吉林大学;2006年

3 赵娜娜;可见光下Er~（3+）-Yb~（3+）及Er~（3+）-N共掺杂TiO_2纳米晶的上转换光催化性能研究[D];东北师范大学;2010年

4 沈昱;光催化降解水质净化装置的设计与性能研究[D];大连交通大学;2005年

5 赵桂芳;室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计[D];大连理工大学;2007年

6 罗周;TiO_2/PAN碳化纳米纤维的制备及其光催化降解腐殖酸的研究[D];东华大学;2010年

7 李翠珠;纳米TiO_2/蒙脱土光催化剂的制备及其催化降解偶氮化合物性能研究[D];河北师范大学;2010年

8 全玉莲;纳米TiO_2光催化降解乙酸的研究[D];吉林大学;2005年

9 龚洁;KNb_3O_8的制备、掺Cu改性及其光催化降解酸性红G的研究[D];武汉理工大学;2005年

10 李协吉;纳米二氧化钛在环境卫生领域的应用基础研究[D];四川大学;2005年

本文编号：2841349