多孔陶瓷粒子电极的制备及对含氮杂环化合物的降解研究

摘要

含氮杂环化合物以其潜在的生物活性和优异的化学可修饰性，应用范围和产量均获得了巨大的进步，又因其致癌、致畸和致突变性，废水毒性大、可生化性差，成为水处理领域的难点。电催化氧化技术适应性广，能高效的降解废水中的污染底物，是一种绿色的水处理技术，引起了科研工作者的广泛关注。三维粒子电极的发展，不仅提高了电催化氧化体系的催化活性，并能有效降低处理能耗，极大推进了该技术的工业化应用前景。
　　本文立足于三维电催化氧化技术，通过研制多孔陶瓷粒子电极和设计新型固定床电催化氧化反应器构建了一种新型的三维电催化氧化体系，研究了典型含氮杂环化合物模拟废水的三维电催化氧化降解过程，并将其应用于含氮杂环类化合物工业废水的处理。主要研究内容如下:
　　基于陶瓷材料高热稳定性和化学稳定性，以来源广泛的陶土为基体、廉价的过渡金属氧化物为活性组分，通过固相焙烧法研制了一种制备简单、价格低廉及适于工业化应用的CuO-ZnO/多孔陶瓷粒子电极。采用XRD、SEM对粒子电极的晶相和表面形貌进行了表征，并通过电催化实验考察了所制备粒子电极的稳定性、催化活性和催化机理。
　　采用多孔陶瓷粒子电极构建的三维电催化氧化体系，研究了典型含氮杂环化合物2-二乙胺基-6-甲基-4-羟基嘧啶和2-氨基吡啶的降解。系统的考察了工艺参数对降解效率的影响，分析了降解机理，并对降解过程的动力学进行了耦合，发现三维电催化氧化能高效破坏氮杂环结构，两种污染底物的降解过程均符合一级动力学。
　　针对实际废水的复杂性，研究了三维电催化氧化下氨氮的降解及氨氮与含氮杂环化合物的竞争。间接氧化不仅能提高氨氮的降解效率，还可以减少（亚）硝酸盐的积累;氨氮与含氮杂环化合物开环产物的矿化过程竞争强烈，加入氯离子可显著提高有机/氨氮废水中氨氮的降解效率。
　　设计了一种新型的固定床三维电催化氧化反应器，并采用停留时间分布研究了反应器的流动特性。停留时间分布显示所设计反应器内流体流态介于平推流和全混流，曝气使流体流态更趋于全混流，可根据实际条件对反应器做进一步放大研究。
　　将三维电催化氧化技术应用于甲基嘧啶磷生产废水和垃圾渗滤液的预处理。可以在不添加任何药剂、较低能耗的情况下，获得对甲基嘧啶磷生产废水COD高效而稳定的去除率。采用混凝-三维电催化氧化组合工艺预处理垃圾渗滤液，混凝对垃圾渗滤液的悬浮物和大分子有机物去除效果好，三维电催化氧化可优先去除混凝后垃圾渗滤液的氨氮。应用研究验证了三维电催化氧化在实际废水处理领域的可行性，表明了其广阔的应用前景。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 含氮杂环化合物废水研究进展

1．2．1 含氮杂环化合物废水的来源及危害

1．2．2 含氮杂环化合物废水处理技术

1．3 电催化氧化法技术概述

1．3．1 电催化氧化机理

1．3．2 电极材料

1．3．3 电催化氧化反应器的发展

1．4 三维电催化氧化水处理技术

1．4．1 三维电催化氧化反应器的分类

1．4．2 复极性固定床三维电催化反应器

1．4．3 存在问题和发展趋势

1．5 本论文研究技术路线及主要内容

1．5．1 技术路线

1．5．2 研究内容

第二章 多孔陶瓷粒子电极的制备、表征及性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器、设备

2．2．2 实验试剂及材料

2．2．3 多孔陶瓷粒子电极的制备

2．2．4 电催化氧化实验

2．2．5 表征及分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 陶土原料分析

2．3．2 粒子电极的优化制备

2．3．3 粒子电极的表征

2．3．4 二维与三维电催化氧化的效能对比

2．3．5 粒子电极的稳定性实验

2．3．6 三维电催化氧化机理

2．4 本章小结

第三章 三维电催化氧化降解嘧啶醇

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．3 实验装置及方法

3．2．4 测定分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 三维电催化氧化降解嘧啶醇工艺研究

3．3．2 电催化氧化降解嘧啶醇机理分析

3．3．3 嘧啶醇降解动力学研究

3．3．4 氯离子对电催化氧化的影响

3．4 本章小结

第四章 三维电催化氧化降解2-氨基吡啶

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂及仪器

4．2．2．多孔陶瓷粒子电极的制备

4．2．3 实验装置及方法

4．2．4 测定分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 三维电催化氧化降解2-氨基吡啶工艺研究

4．3．2 2-氨基吡啶降解机理分析

4．3．3 电催化氧化降解2-氨基吡啶动力学耦合

4．4 本章小结

第五章 含氮杂环化合物与氨氮的竞争反应

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂及仪器

5．2．2 多孔陶瓷粒子电极的制备

5．2．3 实验装置及方法

5．2．4 测定分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 氨氮的降解及过程分析

5．3．2 氨氮与嘧啶醇的竞争反应

5．3．3 氨氮与2-氨基吡啶的竞争反应

5．3．4 氨氮与含氮杂环化合物的竞争分析

5．4 本章小结

第六章 固定床电催化氧化反应器的设计及流动特性研究

6．1 引言

6．2 三维电催化氧化反应器的设计

6．3 反应器的水力停留时间分布

6．3．1 实验试剂及仪器

6．3．2 粒子电极的放大试制

6．3．3 实验装置及流程

6．3．4 测定分析方法

6．3．5 结果与讨论

6．4 本章小结

第七章 三维电催化氧化在实际废水处理中的应用研究

7．1 引言

7．2 三维电催化氧化预处理甲基嘧啶磷生产废水

7．2．1 实验部分

7．2．2 实验结果与讨论

7．2．3 实验小结

7．3 混凝-三维电催化氧化预处理垃圾渗滤液

7．3．1 实验部分

7．3．2 实验结果与讨论

7．3．3 实验小结

7．4 本章小结

第八章 结论与建议

8．1 结论

8．2 建议

参考文献

攻读学位期间的主要研究成果

致谢

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