钢渣粒子三维电极系统构建及去除水中有机污染物效能研究

发布时间：2017-10-17 17:02

  本文关键词：钢渣粒子三维电极系统构建及去除水中有机污染物效能研究

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【摘要】：污水的深度处理中有机污染物的去除一直是水处理领域近些年来研究的热点。三维电催化技术能够解决传统二维电催化中电流效率低、处理能耗高等问题,也在近些年备受重视。研发新型、高效、廉价的粒子电极将对三维电催化技术投入实际应用产生重要的影响。本论文以废治废,探索以工业生产固体废弃物钢渣为原料制备粒子电极,以提高催化性能为目的对其进行表面金属负载,并对新型粒子电极进行理化特性的研究,设计新型的三维电催化反应器,将粒子电极投入其中,研究其去除水中有机污染物和处理实际废水的性能与机理,探讨钢渣粒子电极运用于实际工作的可能。本论文开展的具体研究工作如下:探索提出了利用钢渣为原料制备粒子电极的方法,通过设计正交试验,解析了制备条件对其催化降解水中罗丹明B(Rh B)的影响规律,优化了钢渣粒子电极的具体制备条件;通过多种表征手段研究钢渣粒子电极的表面形貌、晶相结构、化学组成、磁力特性;并考察其在静态三维电催化系统中的催化性能与循环使用性能。结果表明:制备钢渣粒子电极的最适宜条件为物料配比钢渣:粘土:成孔剂质量比5:4:1,煅烧温度为1000,煅烧时间30 min。钢渣粒子电极结要组成元素有O、Ca、Fe、Si、Mg、Al、Mn,这些元素大多以氧化物的形式存在于粒子中。钢渣粒子电极具有一定的磁性,其磁饱和强度为1.6389 emu/g。钢渣粒子电极能够在60 min内去除65.45%的Rh B,高于纯二维的电催化系统,也高于以陶瓷颗粒为粒子电极的三维电催化系统。在第一次循环使用后,粒子电极对Rh B的去除效率会下降20%左右,继续循环使用,其对Rh B的降解率维持在40%左右不变。在静态的电解槽式三维电催化氧化装置中对钢渣粒子电极进行了不同条件下降解Rh B的试验,研究钢渣粒子电极在静态三维电催化氧化装置中的应用参数。采用X-射线光电子能谱(XPS)检测、羟基自由基产生量检测、曝气试验等手段对钢渣粒子电极去除Rh B反应过程进行研究,结果表明:钢渣粒子电极在静态的电解槽式三维电极反应器中降解Rh B的最佳条件是:槽电压5 V、粒子电极投加量15 g、主电极间距4 cm、电解质浓度0.15 mol/L、初始Rh B浓度5 mg/L、初始p H值4,并且钢渣粒子电极在静态的电解槽式三维电极反应器中对Rh B的降解完全符合Langmuir-Hinshelwood(L-H)拟一级反应动力学模型。钢渣粒子电极在去除Rh B前后内部铁元素含量减少,这是由于铁离子化并于氢氧根形成Fe(OH)3沉淀造成的。钢渣粒子电极的三维电催化体系产生羟基自由基的能力强于传统的二维电催化体系,曝气可以提高钢渣粒子电极的催化性能。在静态电解槽式反应装置的基础上对反应器构型进行了改进,采用超声浸渍-焙烧法对钢渣粒子进行了表面金属负载,设计正交试验与单因素试验,通过其在三维电催化体系中对Rh B的降解效能选择最佳的负载金属、优化了负载条件,结果表明:改变静态反应装置的构型有助于增加钢渣粒子电极的催化性能,在新构型的静态反应装置中,Mn负载的钢渣粒子电极去除水中有机污染物的性能最好,采用Mn(NO3)2超声浸渍-焙烧的方法对原钢渣粒子电极进行表面金属负载的最优条件是:超声浸渍时间1.5 h、浸渍液浓度20%、焙烧温度400、焙烧时间1 h。经过表面金属负载后的钢渣粒子电极,其催化性能、产羟基自由基的能力、循环使用性能都得到了提高。在新构型的静态三维电催化反应装置中,表面金属负载后钢渣粒子电极去除水中Rh B的最佳条件是:电压5 V、粒子电极投加量15 g、电解质浓度0.15 mol/L、初始Rh B浓度5 mg/L左右以及初始p H值6左右。其反应符合L-H拟一级反应动力学模型。此外,曝气同样可以提高负载了金属的钢渣粒子电极去除有机污染物的性能。最后,为检验钢渣粒子电极的实际应用效果,设计了动态的三维电催化反应器,将负载了金属的钢渣粒子电极运用于深度处理大庆油田实际含油污水,结果表明:利用钢渣粒子电极动态三维电催化反应器深度处理实际含油污水最适宜的操作电压为20 V、最适宜的粒子电极投加量为75 g、最适宜的水力停留时间为2 h。钢渣粒子电极的动态三维电催化反应器在2 h内对大庆油田含油污水的TOC去除率可以达到85%以上,其去除总有机碳(TOC)的反应过程也符合L-H拟一级反应动力学模型,且动态三维电催化反应器深度去除含油污水TOC的电能效率为282 mg/k Wh。
【关键词】：污水深度处理 含油污水 工业废渣资源化 粒子电极 催化性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第1章 绪论16-37
• 1.1 课题背景16-17
• 1.2 钢渣的来源与综合利用技术17-22
• 1.2.1 钢渣的来源与性质特点17-18
• 1.2.2 钢渣的组成与预处理再生技术18-19
• 1.2.3 钢渣的综合利用研究现状19-22
• 1.3 污水深度处理技术22-26
• 1.3.1 污水深度处理的定位与目标22-23
• 1.3.2 主要污水深度处理技术分类23-24
• 1.3.3 深度处理中有机物的去除方法24-25
• 1.3.4 几种有机物去除技术对比25-26
• 1.4 电化学氧化技术原理与特点26-30
• 1.4.1 基本原理与特点26-27
• 1.4.2 影响电催化效果的主要因素27-29
• 1.4.3 电芬顿技术及其应用29-30
• 1.5 三维电催化技术30-33
• 1.5.1 基本概念与分类30-31
• 1.5.2 复极性粒子电极工作原理31-32
• 1.5.3 复极性粒子电极研究现状与发展方向32-33
• 1.6 本课题研究的目的、意义与内容33-37
• 1.6.1 本课题研究目的和意义33-34
• 1.6.2 本课题研究内容34-35
• 1.6.3 技术路线35-37
• 第2章 实验材料及研究方法37-49
• 2.1 实验材料及仪器37-39
• 2.1.1 主要化学试剂37
• 2.1.2 主要仪器设备37-39
• 2.2 试验装置39-41
• 2.2.1 静态试验装置39-40
• 2.2.2 动态试验装置40-41
• 2.3 粒子电极的制备与表面金属负载41-42
• 2.3.1 钢渣粒子电极的制备方法41-42
• 2.3.2 钢渣粒子电极的表面金属负载方法42
• 2.4 表征方法42-43
• 2.5 粒子电极催化性能的评价43-46
• 2.5.1 模型污染物的选择43-44
• 2.5.2 静态试验方法44
• 2.5.3 动态试验方法44
• 2.5.4 循环使用性能试验方法44-45
• 2.5.5 影响因素与反应动力学45-46
• 2.6 分析测试方法46-49
• 2.6.1 罗丹明B浓度的测定46-47
• 2.6.2 总有机碳含量的测定47
• 2.6.3 羟基自由基的测定47-48
• 2.6.4 催化机理分析方法48-49
• 第3章 钢渣粒子电极的制备、表征与性能49-66
• 3.1 引言49
• 3.2 钢渣粒子电极的制备49-51
• 3.2.0 制备方法的确定49
• 3.2.1 正交试验设计49-50
• 3.2.2 正交试验分析50-51
• 3.3 制备条件优化51-55
• 3.3.1 物料配比对粒子电极性能的影响51-53
• 3.3.2 煅烧温度对粒子电极性能的影响53-54
• 3.3.3 煅烧时间对粒子电极性能的影响54-55
• 3.4 钢渣粒子电极的表征55-61
• 3.4.1 光学照片与SEM-EDX表征55-56
• 3.4.2 X射线衍射光谱表征56-57
• 3.4.3 X射线光电子能谱表征57-58
• 3.4.4 X射线荧光光谱表征58-60
• 3.4.5 磁性表征60-61
• 3.5 钢渣粒子电极的催化性能61-63
• 3.5.1 表面形貌与传统粒子电极的对比61-62
• 3.5.2 在三维电催化系统中的性能62-63
• 3.6 钢渣粒子电极的循环使用效率63-64
• 3.7 本章小结64-66
• 第4章 钢渣粒子电极去除水中有机污染物的影响因素及机理66-86
• 4.1 引言66
• 4.2 钢渣粒子电极去除水中罗丹明B的影响因素及反应动力学66-79
• 4.2.1 槽电压对钢渣粒子电极去除效率的影响66-68
• 4.2.2 粒子电极投加量对钢渣粒子电极去除效率的影响68-71
• 4.2.3 电解质浓度对钢渣粒子电极去除效率的影响71-73
• 4.2.4 电极间距对钢渣粒子电极去除效率的影响73-75
• 4.2.5 初始罗丹明B浓度对钢渣粒子电极去除效率的影响75-77
• 4.2.6 初始p H值对钢渣粒子电极去除效率的影响77-79
• 4.3 钢渣粒子电极去除水中污染物机理79-83
• 4.3.1 去除前后粒子中铁元素含量的变化79-81
• 4.3.2 羟基自由基产生效率81-82
• 4.3.3 钢渣粒子电极去除水中有机污染物机理的分析与讨论82-83
• 4.4 曝气量对去除效率的影响83-84
• 4.5 本章小结84-86
• 第5章 粒子电极的表面金属负载及其去除水中有机污染物效能86-114
• 5.1 引言86
• 5.2 反应器构型改进86-88
• 5.3 负载金属与条件选择88-94
• 5.3.1 负载金属选择88-89
• 5.3.2 负载正交试验设计89
• 5.3.3 负载正交试验结果89-91
• 5.3.4 正交试验各因素分析91-94
• 5.4 载锰钢渣粒子电极表征94-96
• 5.4.1 SEM-EDX检测94-95
• 5.4.2 X-射线光电子能谱检测95-96
• 5.5 载锰钢渣粒子电极强化去除有机污染物性能及机理96-101
• 5.5.1 与原粒子电极去除有机物效率的比较96-97
• 5.5.2 与原粒子电极产羟基自由基能力的比较97-98
• 5.5.3 与原粒子电极循环使用性能的比较98-99
• 5.5.4 强化机理分析与讨论99-101
• 5.6 载锰钢渣粒子电极去除污染物的影响因素及动力学101-113
• 5.6.1 电压对载锰粒子电极去除效率的影响101-103
• 5.6.2 粒子电极投加量对载锰粒子电极去除效率的影响103-105
• 5.6.3 电解质浓度对载锰粒子电极去除效率的影响105-107
• 5.6.4 初始罗丹明B浓度对载锰粒子电极去除效率的影响107-109
• 5.6.5 初始PH值对载锰粒子电极去除效率的影响109-112
• 5.6.6 曝气对载锰粒子电极去除效率的影响112-113
• 5.7 本章小结113-114
• 第6章 钢渣粒子电极三维电催化深度去除实际含油污水TOC效能114-122
• 6.1 引言114
• 6.2 含油污水的性质114-115
• 6.3 动态反应器的设计115-116
• 6.4 运行参数的优化116-118
• 6.4.1 粒子电极投加量的优化116-117
• 6.4.2 电压的优化117-118
• 6.4.3 水力停留时间的优化118
• 6.5 反应器运行效果118-121
• 6.5.1 最优水力停留时间内反应器中TOC的变化情况118-120
• 6.5.2 运行成本分析与问题讨论120-121
• 6.6 本章小结121-122
• 结论122-125
• 参考文献125-136
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果136-138
• 致谢138-139
• 个人简历139

【参考文献】

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