超声强化催化臭氧降解水中氨氮试验研究

摘要

氨氮的处理一直以来都是环境问题的焦点之一，研究简单高效的氨氮处理方法是环保工作者的一项重要任务。本文拟采用超声波强化催化臭氧对氨氮废水进行降解试验研究，并得到以下结论： 1）采用浸渍法制备并考察了氧化铝载镁、钡、铁、铜、锶、钴六种催化剂在超声强化催化臭氧降解模拟氨氮废水中的性能，筛选出氧化铝载镁、锶两种较优催化剂。催化剂制备正交实验发现，Mg/Al2O3最优制备条件为：煅烧时间1 h，煅烧温度500℃，浸渍液Mg(NO3)2浓度0.10 mol/L；Sr/Al2O3最优制备条件为：煅烧时间4 h，煅烧温度700℃，浸渍液Sr(NO3)2浓度0.10 mol/L。SEM和BET分析结果表明，经500℃煅烧得到的Mg/Al2O3含有大量絮状体，且絮体颗粒粒径小而均匀，比表面积达218.4 m2/g；经700℃煅烧得到的Sr/Al2O3呈粒子联结体，且大小均匀，表面粗糙而凹凸不平，比表面积达253.3 m2/g。 2）超声强化作用研究表明，超声的引入，使得 Sr/Al2O3催化臭氧氧化降解模拟氨氮废水反应时间从120 min缩短至60 min，反应温度从45℃降至常温（25℃），催化剂投加量从2.5 g/L减少至2.0 g/L，臭氧流量从1.5 g/h降至0.75 g/h。当氨氮初始质量浓度为50 mg/L，溶液pH9.5，臭氧流量0.75 g/h，反应时间60 min，催化剂投加量2 g/L，反应温度25℃，超声频率25 kHz，超声功率270 W，超声运行方式为运行1 s间歇2 s时，超声强化Sr/Al2O3催化臭氧降解模拟氨氮废水反应后剩余氨氮浓度、硝态氮浓度和总氮浓度分别为8.40、15.64、24.15 mg/L，氨氮降解率达83.20%。SO42-、HCO3-和CO32-的存在，因其对·OH自由基的捕获作用从而会抑制超声强化催化臭氧降解模拟氨氮废水；而Br-的存在，因其参与了反应的循环，增加了降解氨氮途径，使得氨氮更大程度的转化为气态氮，从而会促进超声强化催化臭氧降解模拟氨氮废水。在最佳反应条件下，当废水氨氮质量浓度为50.38 mg/L时，超声强化Sr/Al2O3催化臭氧降解实际低浓度氨氮废水氨氮降解率可达74.80%。 3）反应动力学分析表明，Sr/Al2O3催化臭氧氧化降解模拟氨氮废水更符合二级动力学方程，而超声强化Sr/Al2O3催化臭氧降解模拟氨氮废水更符合一级动力学方程。协同强化效应评价表明，超声和催化臭氧氧化之间不仅存在协同效应，超声对催化臭氧氧化还具有强化作用。反应前后Sr/Al2O3催化剂傅里叶红外光谱检测表明，超声的引入促进了臭氧在催化剂表面产生羟基，以及促进了催化剂表面N-H键的裂解。叔丁醇实验表明，叔丁醇（0～18 mg/L）的添加造成了超声强化催化臭氧降解模拟氨氮废水效率的普遍下降，初步说明超声强化催化臭氧降解氨氮废水遵循·OH氧化机理。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 水中氨氮污染状况

1.2 高级氧化法处理低浓度氨氮废水的研究现状

1.3 臭氧氧化及其改进技术

1.4 选题意义、研究内容及技术路线

第二章 实验材料与方法

2.1 实验仪器与试剂

2.2 实验装置

2.3 催化剂的制备及降解实验

2.4 实验分析方法及表征

第三章 催化剂的选择与制备条件优化

3.1 负载活性组分的选择

3.2 催化剂制备单因素实验

3.3 催化剂制备正交实验

3.4 催化剂的表征

3.5 小结

第四章 超声对催化臭氧氧化的强化作用研究

4.1 超声强化作用单因素研究

4.2 无机离子对超声强化催化臭氧降解模拟氨氮废水的影响

4.3 超声强化催化臭氧降解实际氨氮废水

4.4 小结

第五章 反应动力学及机理分析

5.1 反应动力学分析

5.2 叔丁醇对超声强化催化臭氧降解水中氨氮的影响

5.3 超声强化催化臭氧氧化协同强化效应评价

5.4 反应前后Sr/Al2O3催化剂红外光谱分析

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果