微波辅助低温低压湿式催化氧化处理高浓度有机废水的研究

发布时间：2020-10-23 14:42

　　 湿式催化氧化技术是处理高浓度难降解有机废水的有效方法。但因其需要较高的操作条件(高温、高压),给设备建造和安全运行等带来诸多问题,在很大程度上限制了该工艺的实际应用。对此,本论文采用一种新的工艺——通过微波辅助在(相对于传统的湿式催化氧化条件)低温(＜200℃)低压(＜2.0 MPa)条件下,以活性炭为催化剂,氧气或过氧化氢为氧化剂,在固定床微波反应器内间歇式的处理高浓度有毒有害难降解的有机废水,如苯酚溶液、炼油废水和制药废水,来考察这种新工艺的实用性与可行性。获得的主要结果如下: 在微波辅助催化湿式氧化处理苯酚溶液的实验中,考察了浓度为20000 mg/L的苯酚溶液的处理情况,通过对反应温度、氧分压、活性炭用量和微波功率等不同工艺参数的考察得出了反应最佳实验条件。结果表明,在反应温度为150℃,氧分压为0.8 MPa,GAC催化剂投加量为5wt.%,660 W微波功率的条件下,91.5%的苯酚能够被降解,TOC总去除率达到73.3%,可生化性(BOD_5/COD)由最初的0.04提高到0.36。产物分析结果表明,在微波辅助催化湿式氧化降解苯酚过程中,对二苯酚、邻二苯酚、苯醌和马来酸能是主要降解产物,微波高温热解和氧化分解作用同时存在于苯酚的降解反应过程中。 在处理炼油废水的实验中,增加了一步带压曝气工艺。实验表明,向溶液内部施加曝气,增加了氧气由气相向液相传质的速率,使得炼油废水中COD的去除率有进一步的提高。当曝气流量为0.02 m~3/h,反应温度为150℃,氧分压为0.8 MPa,GAC催化剂投加量为5wt.%,660 W微波功率的条件下,炼油废水中COD的去除率达到91.8%,可生化性由最初的0.08提高到0.47。其中反应温度、氧分压、GAC催化剂的投加量以及微波功率都对COD的去除率有一定影响。 水和活性炭的微波升温实验表明,微波辐照下活性炭的快速升温使其与周围水相之间产生温度梯度,致使水升温速度加快。活性炭在微波辐射下快速升温的性能为其在催化过程中局部达到高温提供可能,而高温是湿式催化氧化中·OH产生的必需条件。 在研究溶液蒸发量的实验中,分别考察了反应温度、反应压力以及微波功率对溶液蒸发量的影响。由于反应装置是一密闭容器,并且外界所施加的压力大于溶液的饱和蒸汽压,因此在实验过程中溶液的蒸发量很少。在采用优化的工艺参数对溶液处理后,溶液内部的蒸发量小于5%,而且这部分蒸发量基本保留在反应器内部。 对于COD浓度更大(80254 mg/L)、更难降解的制药废水,本文采用了过氧化氢微波辅助湿式催化氧化法。即向反应体系中加入一定量的过氧化氢作为氧化剂,并通过微波辅助进行湿式催化氧化。结果表明,当过氧化氢的投加量为0.3 mol/L,反应温度为160℃,氧分压为0.8 MPa,GAC催化剂投加量为5wt.%,660 W微波功率的条件下,经过30 min的处理,其COD的去除率可达到85.2%,可生化性由最初的0.06提高到0.42。 能量衡算表明,微波辅助催化湿式氧化工艺适用于高浓度有机废水的处理,如果能将微波能和热交换系统有效的结合可显著降低经济成本,增强其实际应用的可行性。 通过对微波辅助湿式催化氧化的研究证明,该工艺能在较温和的反应条件下有效的处理高浓度难降解有机废水,使得这种工艺可以在比较安全、方便的条件下高效运行,提供了一种能在低温(＜200℃)、低压(＜0.8MPa)的反应条件下处理难降解有机废水的新途径。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2008
【中图分类】：X703
【部分图文】：

不锈钢作为反应器的材料。文实验过程中，核心的装置为微波发射器、微波反应釜和测温、测发射装置是由南京凯乐电气微波设备有限公司提供的一台最大工、功率连续可调的微波发射器(2450MHz)。我们知道，家用微波炉用调节磁控管阳极高压的方法，就可使微波炉的输出功率连续可调中串联一电流表，以电流值来显示磁控管输出功率的大小，因为阳线性正比关系。需要注意的是，磁控管的输出功率、频率都随炉腔因此负载阻抗特性需在磁控管的正常工作区域内，以免发生跳模或坏。中温度的测定一般选用光纤测温系统或红外高温计，因为一般的金下会被高温熔断，但光纤测温系统价格昂贵、红外高温计又需要异等[’451报道了红外高温计和恺装K一型热电偶在微波场中的测温比较，辐照下温度的测定。由于恺装K一型热电偶廉价易购，故在实验中的测定。

直接影响反应速率的快慢。图2.8显示出溶液中溶解氧含量随氧分压的变化关系，从中可以看出，在204℃和160℃之间溶液中的溶解氧含量变化不大;超过260℃时溶解氧有明显的增加。但考虑到体系中饱和蒸汽压(参见图2.7)带来的风险，在实际应用中反应温度以及反应压力不易过高。笔者根据已知的实验数据(图2.8)结合亨利定律以及克拉伯隆方程，对本研究中主要氧分压参数所对应的溶解氧含量进行计算校合:在氧分压为 0.8MPa反应温度为160℃和 2MPa、200℃时，溶液中的溶解氧含量分别为113Om留L和 8876mg/L。在此，笔者特此声明，由于实验条件有所限制，这两个数据并没有经过实验测定，仅做参考。

为了进一步说明在微波辅助处理过程中，苯酚的去除来自于其本身的降解，而不是由于活性炭的吸附，本研究对于空白活性炭和己经吸附饱和的活性炭进行了降解苯酚的效果对比。图2.11是59空白活性炭与饱和活性炭对于苯酚溶液降解的对比关系。所选用的实验条件为:反应温度150℃，氧分压 0.8MPa，微波功率660W。从图中可以看出，二者对于苯酚溶液降解没有明显的区别，这可能是由于溶液中苯酚含量过高(20000m岁L)，而所加入的活性炭量相对较少所导致。在处理过程中，活性炭表面会发生这样几种变化—吸附、脱附、降解、再吸附、再脱附、再降解……这些过程几乎是在同时进行的。笔者认为，由于本研究中采用微波辐射在150℃， 0.8MPa的条件下处理苯酚溶液，此方法对于有机污染物的降解速度非常快，其降解速率远远大于活性炭的吸附速率。所以对于空白活性炭而言
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本文编号：2853168