高铁酸钾降解苯酚废水过程中有机中间体变化研究

摘要

改革开放四十年来，传统化工行业作为基础产业，在快速发展的同时也带来了严重的有机污染问题。在有机污染当中，酚类有机物污染问题日益突出，酚类有机物具有毒性强、难降解、易积聚的特点，工业废水中的酚类有机物已成为导致地表水污染的重要因素。 随着我国环境监管要求和治理水平的提高，有机废水的处理不仅需要考虑经济因素、有机污染物排放达标，而且对处理后排放溶液的pH值、中间体产物可能带来的二次污染的监管也要求日益严格。由于适中的pH值、滤液中无有害产物可以减少二次污染并可将水体进行再次回用，所以对处理后废水PH值的控制、中间产物的研究，成为当下水处理领域的研究热点。 本文选取具有氧化-絮凝双重特性的高铁酸钾作为水处理药剂，研究对象为工业废水中的有机污染物－酚类化合物，分析酚类物质在高铁酸钾作用下的变化规律，旨在寻找一种绿色、安全、高效的酚类有机物处理方法，有效地避免二次污染，使废水经处理后达到回收利用、补充景观用水的标准。 本文的研究目的为： （1）分析与掌握苯酚污染的原水经高铁酸钾处理后，不同实验条件对苯酚中间体的的影响因素，及中间体的产生过程与分布规律； （2）分析不同中间体在最终滤液中的含量、特性和毒性对环境的危害，评估高铁酸钾作为水处理剂的处理能力； （3）通过对高铁酸钾降解苯酚过程中的表观动力学分析，来考察整个氧化过程的迅速产酸性及彻底性； （4）为使处理后的溶液达到安全的排放标准，从处理溶液的剩余污染物、中间体含量、各阶段溶液的pH值考察各项标准，使排放用水可回收利用，对水体生物无危害； （5）处理药剂在溶于水后常出现失活现象，对污染物的降解效率降低，为减少投加量，使药剂在水中能够保持活性，在投配方式方面做了改进。 本文参照GB 8978-1996污水综合排放标准-三级标准，模拟污染废水配置成pH值为8～10，苯酚浓度为15 mg/L的原水，使用高铁酸钾进行处理。考察指标为：降解苯酚废水后苯酚的残留量与终中间体的产生量；实验变量为：用单因素和正交实验相结合的方式，从高铁酸钾投加量、原水pH值、氧化时间、氧化段搅拌速递、絮凝时间、絮凝段搅拌速度等因素通过初始反应、氧化反应及絮凝反应后最终滤液中pH值和铁价态的变化，最终滤液低价铁含量的变化，研究高铁酸钾处理苯酚废水生成中间体的产生规律及变化机理，选取最佳反应条件。同时对高铁酸钾作用下，苯酚的降解及中间体-草酸的生成过程进行了表观动力学分析，研究高铁酸钾处理苯酚的废水的微观机理，作为本研究的理论基础。 研究结果表明： （1）最终中间体为草酸，滤液中无有害中间体，呈弱碱性，对管道无腐蚀，并可起杀菌作用；剩余苯酚为0.0975 mg/L≤0.1 mg/L，符合我国地表水水质标准，可作景观用水； （2）在氧化段存在中间体：苯酚—对苯二酚—对苯醌—顺丁烯二酸—丁二酸—草酸；在絮凝段初期含中间体：顺丁烯二酸、丁二酸、草酸； （3）在改进药剂投配方式后，高铁酸钾加碱量为1.3 g/100 mL，灭活剂加碱量为1.2 g/100 mL，灭活剂投加量为6 mL，苯酚去除率为99.35%，草酸产量为36.16 mg/L，与未改进前（苯酚去除率为74.19%，草酸产量为31.66 mg/L）的去除效果相比，高铁酸钾的氧化性明显增强，对中间体的去除效果显著提高； （4）通过表观动力学分析，得出苯酚降解的反应级数为2.33，草酸生产的反应级数为1.54，说明高铁酸钾可迅速氧化苯酚产生草酸。

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摘 要

ABSTRACT

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第一章 文献综述与选题

1.1我国水资源受污染现状

1.2苯酚废水处理现状

1.2.1苯酚处理的常用方法

1.2.2苯酚废水处理中面临的主要环境问题

1.2.3再生水回用现状及存在问题

1.3传统水处理药剂的不足

1.4研究目的与研究内容

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

1.4.3技术路线图

1.4.4本文创新点

第二章 高铁酸钾的相关研究

2.1高铁酸钾的特性

2.1.1高铁酸钾的性质

2.1.2高铁酸钾的氧化性

2.1.3高铁酸钾优异的絮凝及助凝特性

2.2高铁酸钾的应用

2.3高铁酸钾氧化苯酚的分解机理及产生的各中间体的特性

2.3.1苯酚的氧化机理分析

2.3.2各中间体的物化特点及毒性

第三章 实验设计与分析方法

3.1 主要实验试剂与仪器

3.1.1 实验试剂

3.1.2 实验仪器

3.1.3 实验所用装置图

3.2 中间体的测定方法

3.2.1 测定条件

3.2.2 测定步骤

3.3 铁元素的测定方法

3.3.1 方法原理

3.3.2 测定方法

3.4 单项实验设计

3.4.1 实验方法

3.5处理药剂活性及投加方式的改进

3.5.1 实验改进思路

3.5.2 处理药剂活性及投配方式的条件选择

3.6 正交实验设计

3.6.1 正交表设计

3.6.2 实验步骤

3.7 实验数据处理

第四章 实验结果与讨论

4.1 氧化条件对中间体含量的影响

4.1.1 投加量对中间体含量的影响

4.1.2原水pH值对中间体含量的影响

4.1.3温度对中间体含量的影响

4.1.4搅拌速度对中间体含量的影响

4.1.5氧化时间对中间体含量的影响

4.2絮凝条件对中间体含量的影响

4.2.1搅拌速度对中间体含量的影响

4.2.2絮凝时间对中间体含量的影响

4.3改进处理药剂活性及投加方式对中间体含量的影响

4.3.1高铁酸盐活性改进对中间体含量的影响

4.3.2灭活剂加碱量活性改进对中间体含量的影响

4.3.3氧化段结束只加碱对中间体含量的影响

4.3.4灭活剂投加量对中间体含量的影响

4.4在各影响因素下最终滤液所剩中间体的变化

4.5中间体随氧化时间及絮凝时间的变化

第五章 最佳水处理条件分析

5.1正交实验数据

5.2苯酚和草酸含量正交实验的极差分析

5.2.1苯酚含量正交实验的极差分析

5.2.2草酸含量正交实验的极差分析

5.3Fe2+和Fe3+含量pH值正交实验的极差分析

5.3.1 Fe2+含量正交实验的极差分析

5.3.2 Fe3+含量正交实验的极差分析

5.4pH值正交实验的极差分析

5.4.1快速搅拌1 min后溶液pH值正交实验的极差分析

5.4.2氧化反应完成后溶液的pH值正交实验的极差分析

5.4.3絮凝反应完成后溶液的pH值正交实验的极差分析

5.5pH差值正交实验的极差分析

5.5.1快速搅拌1 min溶液pH值差值处的正交实验极差分析

5.5.2氧化反应完成后溶液pH值差值处的正交实验极差分析

5.5.3絮凝反应完成后溶液pH值差值处的正交实验极差分析

5.6最佳实验条件的确定

第六章 高铁酸钾降解苯酚过程中中间体的变化机理

6.1 降解过程中间体的变化特点

6.2 化学反应动力学

6.2.1动力学原理

6.2.2不同原水浓度下剩余苯酚随时间的变化情况

6.2.3不同高铁酸钾投加量下剩余苯酚随时间的变化情况

6.2.4 不同原水浓度下草酸产生量随时间的变化情况

6.2.5不同高铁酸钾投加量下草酸产量随时间的变化情况

6.3 高铁酸钾降解苯酚过程中中间体的变化机理分析

第七章 结论与建议

7.1 主要结论

7.2 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文