套筒型生物催化电解装置强化偶氮染料还原脱色效能研究

摘要

生物电化学系统能够将生物的电化学活性和降解功能结合，可利用电极去除一些具有氧化性或还原性的污染物，已逐渐成为一种新型的废水处理技术。生物催化电解技术作为生物电化学系统的一种形式，仅需外加较小电压，即可加速污染物氧化还原过程，减小电子供体需求，在污染物降解方面更具有潜力和开发价值。我国纺织印染行业废水量大、面广、治理难，尤其是偶氮染料脱色难、易复色等问题亟待解决。本研究提出采用生物催化电解技术对偶氮染料进行降解，并针对强化偶氮染料降解过程中存在的关键问题进行研究，取得了一些创新性的研究成果。
　　针对降低反应器内阻，提出并构建了一种套筒型生物催化电解装置，用于强化偶氮染料还原脱色。利用双室和单室两种型式证实了套筒构型装置的优越性。在双室套筒型生物催化电解装置中，当阴极液中酸性橙浓度由50mg/L增至700mg/L时，偶氮染料的脱色可以高达98％，可以实现染料的预处理，并在脱色效果和反应动力学上具有明显优势，耐负荷高。在单室套筒型生物催化电解装置中，构型的差异性实际是以电极排布方式的不同来展现，当改进水平式电极排布为环绕式电极排布时，偶氮染料在11h时的脱色率从87.牡1.3%升髙至97.5±2.3%，同时内阻由236.6Q降至42.2Q。结果表明优化电极排布方式为环绕式可加快脱色效率，尤其是在生物催化电解装置中表现最明显。改进生物催化电解装置构型为套筒型，阴阳极电极距离减小，阴阳极相对面积增大，电荷传递面积增大，有利于内阻的降低，而内阻的降低有利于电子传递，最终实现了偶氮染料的高效脱色，这对利用生物催化电解技术降解偶氮染料具有非常重要的意义。
　　针对反应器构型优化，以阴极为工作电极，深入探讨了工作电极放置在套筒的内筒或外筒的脱色规律，建立了外筒阴极强化脱色过程的组装模式。当阴极室和阳极室的体积相同或阴极室体积增大2倍时，工作阴极在套筒构型的外筒效果均优于内筒，外筒阴极室的脱色率分别为97.8±2.1%(7h)和94.0±2.3%(23h)。电流和内阻分析表明阴极置于外部区域更有利于质子或电子传递。采用增加底物供应策略，有效克服了放大工作体积存在的电荷传递和扩散阻力大的问题，改善了外筒工作阴极体积放大化的生物催化电解装置的脱色性能。这对于套筒构型的选用及工艺优化和维护具有非常重要的意义。
　　为了强化偶氮染料的厌氧脱色效能，提出构建生物催化电解厌氧耦合工艺，将套筒型生物催化电解模块内置于厌氧工艺的新思路。研究表明，生物催化电解模块对厌氧工艺具有增效作用，耦合工艺的脱色动力学常数为0.54h

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第 1章 绪 论

1. 1 课题来源

1.2 偶氮染料和偶氮染料的降解方法

1 .3生物电化学系统在废水处理中的研究进展

1 .4生物电化学系统处理偶氮染料的研究现状

1 .5生物电化学系统的优化及改进

1 .6本文的研究背景、目的和意义

1 .7本文的主要研究内容和技术路线

第2章 实验材料与方法

2 .1实验装置与操作

2 .2实验仪器和试剂

2 .3电化学性能测定方法

2 .4化学测定方法

2 .5计算方法

第3章套筒型生物催化电解装置构建及对偶氮染料的脱色效能

3 .1引言

3 .2套筒型双室生物催化电解装置的构建及脱色效能

3 .3套筒型单室生物催化电解装置的构建及脱色效能

3 .4本章小结

第4章套筒型生物催化电解装置工作阴极位置优化及脱色效能

4 .1引言

4 .2阴阳极体积相同情况下阴极位置优化对脱色效能的影响

4 .3三倍阴极体积情况下阴极位置优化对脱色效能的影响

4 .4阳极底物浓度对生物催化电解装置脱色效能的影响

4 .5本章小结

第 5章套筒型生物催化电解厌氧耦合工艺构建及脱色效能

5 .1引言

5 .2套筒型生物催化电解厌氧耦合工艺的脱色效能

5 .3工作阴极和厌氧活性污泥反应区相对位置的影响

5 .4阴极液流经电极区和厌氧活性污泥区次序的影响

5 .5阴极液进水布水方式的影响

5 .6本章小结

结论

论文的主要创新点

建议与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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