新型光Fenton催化剂研制及处理有毒/难降解有机废水研究

摘要

环境污染已成为影响人类生存和可持续发展的全球性问题，工业生产中排放出的废水含有大量有毒难降解有机污染物如苯酚、甲醛、染料等，现有的环保技术又难以彻底处理这些污染物，基于各种活性氧自由基的高级氧化技术是当今环保领域的研究热点。其中光Fenton反应技术具有较为广阔的应用前景，该技术以铁为催化剂，在光和H<,2>O<,2>作用下，高效降解水中有机污染物，但实际应用要求固定铁催化剂，以便固液分离和多次循环使用，针对这一目的，论文开展了铈掺杂铁催化剂的负载化研究，通过超声浸渍和等离子体焙烧技术强化催化剂制各过程，针对工程实践选取印染废水、发酵行业废水、高盐度废水中的阳离子红废水、酵母废水、含盐废水进行催化剂的检验。 浸渍法制备Fe/Al<,2>O<,3>催化剂的优化条件为Fe(NO<,3>)<,3>浸渍液浓度0.05 mol/L，铁负载量以Fe<,2>O<,3>计为4％，焙烧温度550℃，焙烧时间4 h，通过掺杂金属来提高催化剂活性，几种金属掺杂对催化剂活性提高的大小顺序为Ce>Ni>V>Mn>Cu>Cr>Zn>Co，Ce的最佳掺杂量2％。铈掺杂使活性组分Fe<,2>O<,3>分散均匀，有效防止Fe<,2>O<,3>颗粒的长大，增加催化剂对光的吸收，增强催化剂的储氧能力，提高了催化剂的催化活性，媒介黄脱色速率由0.032 min<'-1>增加为0.081 min<'-1>，铁的溶出率从0.60％降低为0.40％，在pH3.0-6.0条件下，60 min内可将100 mg/L媒介黄完全脱色，在pH6.0连续使用10次，其催化能力保持稳定。 为证实铈铁之间存在的Fe<'2+>Ce<'4+>→Ce<'3+>+Fe<'3+>反应促进了铁的电子转移，提高催化剂催化活性而进行了一系列催化剂表征。红外光谱和紫外可见漫反射光谱验证了光Fenton过程中铁由Fe(Ⅲ)转化为Fe(Ⅱ)，XPS表明Fe<,2p>结合能从710.9降低为710.1，催化剂表面的Ce(Ⅲ)由反应前的28.34％提高反应后50.67％。该反应是论文的重要创新之处。 为提高催化剂的催化性能，采用超声浸渍和等离子体焙烧非常规手段对催化剂进行处理。超声浸渍有助于改善催化剂活性组分的粒度、分布以及催化剂的微孔结构，形成表面缺陷，有利于提高催化剂活性，但对催化剂的稳定性改善不明显。等离子体焙烧极大地减小催化剂的活性组分粒度，提高分散性，增强活性组分与载体的粘合力，提高催化剂的催化活性，媒介黄60 min时TOC去除率从81.13％提高到89.53％，铁的溶出率从0.40％减小为0.34％。这也是本文的创新之处。 为检验催化剂的实用性，选择实践中遇到的代表性有毒难降解废水进行非均相UV/Fenton降解处理。阳离子红降解的较好条件为pH6.0，H<,2>O<,2>浓度340 mg/L，Ce-Fe/Al<,2>O<,3>催化剂2g/L,TOC去除率为92.40％；TOC去除过程符合一级反应动方学，其活化能为17.2 kJ/mol；结合量子化学计算，紫外可见光谱、红外光谱、离子色谱、GC-MS手段，阳离子红的降解路径为助色基团脱落，-N=N-断裂产生苯环类化合物，中间产物主要有苯酚、邻苯二酚、硝基苯、N-乙基苯胺、顺丁烯二酸、乙酸、甲酸等，无色中间产物进一步降解，最终产物为Cl<'->、NO<,3><'->、5O<,4><'2->、CO<,2>和H<,2>O。以Ce-Fe/Al<,2>O<,3>为催化剂photo-Fenton中性条件下成功降解了酵母废水，为发酵行业废水的处理提供了一个较好的方法；酵母废水较好的处理参数为pH6.0，催化剂用量5 g/L，H<,2>O<,2>浓度1000 mg/L，温度30℃，72 w紫外灯管，酵母废水TOC去除率为96.89％。针对含盐废水，在均相光Fenton体系，无机阴离子对有机物降解抑制能力大小为Cl>SO<,4><'2->>NO<,3><'->>ClO<,4><'->；非均相光Fenton体系，阴离子的影响能力遵循下面的顺序：NO<,3><'->>SO<,4><'2->>ClO<,4><'->>Cl<'->。以超声浸渍、等离子体焙烧技术制备的Ce-Fe/Al<,2>O<,3>催化剂具有良好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

华南理工大学学位论文原创性声明及版权使用授权书

第一章 绪论

第二章 金属离子掺杂铁催化剂的研究

第三章 超声波/等离子体技术强化催化剂性能研究

第四章 非均相光 Fenton 降解阳离子红 GTL 的研究

第五章 酵母废水的非均相光 Fenton 脱色和矿化

第六章 几种典型阴离子对光 Fenton 反应的影响

第七章 可见光/Ce-Fe/Al2O3/H2O2 降解有机物研究

结论与展望

参考文献

在学期间发表与学位论文内容相关的学术论文

致谢