MFe2O4型催化剂与光电Fenton技术处理难降解有机污染物研究

摘要

光电Fenton技术利用光、电、Fenton反应的协同作用,提高污染物的催化降解效果,此技术以其独特的优势已被广泛应用于难降解有机污染物废水处理研究。本论文以难降解有机污染物为对象,结合光电Fenton处理技术,开展以下两大部分研究:
　　(1)研究发展了以MFe2O4(M=Zn,Cu,Co)作为光电类Fenton反应催化剂,用于降解苯并三氮唑(BTA)、4-硝基酚(PNP)、2,4-二氯酚(2,4-DCP)等难降解有机污染物。在此部分研究中,具有纳米颗粒结构的MFe2O4(M=Zn,Cu,Co)催化剂的制备均采用化学共沉淀法,并经TEM、XRF、XRD、比表面积(BET)等技术分析表征后,用于光电类Fenton降解反应中。首先研究了以ZnFe2O4作为催化剂利用光电类Fenton技术降解BTA过程。在加入0.067g·L-1的ZnFe2O4催化剂时,最佳条件下,即0.15mmol·L-1BTA,0.05mol·L-1Na2SO4,外加电压-0.6V(vs.SCE,下同),初始pH为3.0,经紫外光照射降解180min后,BTA的去除率达到91.2％,COD去除率达到85.3%。其次研究了以CuFe2O4为催化剂的光电类Fenton技术降解PNP,在PNP初始浓度为0.1mmol·L-1,Na2SO40.05mol·L-1,pH为3.0,0.067g·L-1CuFe2O4,外加电压为-0.6V以及紫外光照射的条件下,经非均相光电Fenton技术降解180min后,PNP的去除率可达到92.8%,相应COD的去除率为81.4%。同时研究了以CoFe2O4为催化剂,利用非均相光电类Fenton技术降解2,4-DCP,结果表明在0.2mmol·L-12,4-DCP,0.05mol·L-1Na2SO4,外加电压-0.8V,pH为3.0,0.067g·L-1CoFe2O4以及紫外光照射条件下,降解180min后,2,4-DCP的去除率可达到89.6%,COD去除率可达到84.2%。以上研究表明,MFe2O4(M=Zn,Cu,Co)可用作光电类Fenton反应的高效催化剂,基于此类催化剂的光电类Fenton技术是一项非常有用的有机污染物降解技术,对传统方法难降解的有机污染物均有较高的矿化效果。
　　(2)研究了利用UV/Fenton技术及光电Fenton技术对污泥深度脱水液的处理。在研究UV/Fenton技术用于污泥脱水液处理时,利用表面响应法对最佳试验条件进行了优化,结果表明:在最佳试验条件下,即pH为3.0,H2O2投加量31.7mmol·L-1,初始Fe2+浓度1.59mmol·L-1(NH2O2:NFe2+=20:1)条件下,经紫外光照射反应50min后,COD去除率可达到60%,并且获得较高的H2O2利用率。同时TOC、TN、NH4+-N、及TP去除率分别为46.4%、12.8%、65.6%和95%。
　　(3)研究了光电Fenton技术用于污泥脱水液的处理,发现在优化条件下可获得比UV/Fenton技术更高的处理效率:在初始pH为3.0,H2O2投加量65.3mmol·L-1,FeSO4投加量6.53mmol·L-1(NH2O2:NFe2+=10:1),外加电压为7.5V时,经光电Fenton技术处理20min后污泥脱水液的COD去除率可达到59%;同时,原污泥脱水液的TOC去除率为50.6%;TN及NH4+-N的去除率分别为20.6%和73.6%;TP的去除率达到了96.5%。与传统的Fenton技术、UV/Fenton技术、电Fenton技术相比,光电Fenton技术可在短时间内获得一个较高COD去除率,而且TP的浓度也大幅度降低,不仅在污泥深度脱水液的快速处理方面具有很强的现实意义,也为光电Fenton技术在实际废水处理中的应用提供了实际的参考。

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1 绪论

1.1 Fenton技术原理

1.2 Fenton技术的发展

1.3 类Fenton反应催化剂研究现状

1.4 铁氧体在环境污染治理中的研究现状

1.5 污泥脱水液处理研究现状

1.6 研究目的及意义

1.7 主要研究内容

2 试验材料及分析测试方法

2.1 试验试剂

2.2 试验仪器设备

2.3 水质分析及催化剂表征方法

3 化学共沉淀法制备纳米ZnFe2O4及光电类Fenton

3.1 试验装置及苯并三氮唑测定方法

3.2 ZnFe2O4制备及表征

3.3 苯并三氮唑降解分析

3.4 ZnFe2O4稳定性分析

3.5 本章小结

4 CuFe2O4纳米催化剂制备及用于光电类Fenton技术降解4-硝基酚研究

4.1 试验方法及4-硝基酚测定方法

4.2 CuFe2O4制备及表征

4.3 4-硝基酚降解分析

4.4 CuFe2O4稳定性分析

4.5 本章小结

5 纳米CoFe2O4制备及光电类Fenton反应降解2,4-二氯酚研究

5.1 试验方法及2,4-二氯酚测定方法

5.2 CoFe2O4制备及表征

5.3 2,4-二氯酚降解分析

5.4 CoFe2O4稳定性分析

5.5 本章小结

6 表面响应法优化UV/Fenton技术处理污泥深度脱水液研究

6.1 污泥深度脱水液水质分析及试验方法

6.2 UV/Fenton技术处理污泥深度脱水液试验条件优化

6.3 本章小结

7 光电Fenton技术处理污泥深度脱水液研究

7.1 试验装置及试验方法

7.2 光电Fenton技术处理污泥深度脱水液过程分析

7.3 光电Fenton技术在工程实施中的可行性分析

7.4 本章小结

8 结论

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表的论文及参与的项目