表面改性活性炭活化过硫酸盐降解苯酚的研究

摘要

我国的能源结构决定了煤炭是主要能源，而作为新型煤化工技术的龙头产业，煤气化技术产生的废水对环境的污染不容忽视。酚类是煤气化废水中主要的一类有机化合物，其具有高毒性、难降解的特点，因此探索一种高效去除酚类有机污染物的技术和方法，可避免煤气化技术对环境的污染，对煤化工的发展有重大意义。
　　近年来，以过硫酸盐（PS）为氧化剂的高级氧化技术在污水处理的研究中备受关注。其原理是过硫酸盐经活化产生硫酸根自由基（SO4-·），利用SO4-·的强氧化性（标准氧化还原电位E0=+2.5~+3.1 V/NHE标准氢电极）快速、有效的将有机物氧化分解。SO4-?具有氧化性强、稳定性好、寿命长和受溶液pH影响小等优点，因此基于SO4-·的高级氧化技术展示出了广阔的应用前景。
　　过硫酸盐的活化方式有热活化、光活化、碱活化、过渡金属离子活化和碳材料活化等。碳材料活化PS过程中能够有效避免光活化和热活化能耗多、碱活化腐蚀设备、过渡金属离子活化易产生二次污染的缺点。碳材料表面通过改性可调控表面官能团、孔结构和杂原子，从而增加其吸附性能和催化性能。
　　本文通过采用硝酸氧化联合高温处理和尿素处理掺杂氮原子两种方式对活性炭进行表面改性，利用经过表面改性的活性炭活化K2S2O8使其分解产生 SO4-·，以常见高毒性的苯酚作为目标有机污染物，考察了各种操作条件对反应的影响，对苯酚溶液反应过程中的浓度、pH值和 COD值进行测定，并分析了改性后的活性炭表面的官能团对催化活化PS反应的影响。此外，针对过硫酸盐高级氧化技术，本文还探究了一种消除剩余PS对溶液COD值测量影响的方法。主要研究成果如下：
　　(1)采用Na2SO3加热处理能够有效去除PS对COD测定的干扰。研究表明，以PS为氧化剂的高级氧化技术处理废水后，溶液中剩余的PS会使测得的COD偏高。采用Na2SO3和PS的摩尔比大于等于2，温度为90℃的条件下恒温处理60 min，可以有效地去除溶液中剩余的PS而不影响COD测定。
　　(2)通过硝酸氧化联合高温处理的方法对活性炭进行改性，并将得到的活性炭 ACNH用于活化 PS氧化分解苯酚。结果表明，改性后活性炭活化PS的能力显著提高，在ACNH/PS体系中，苯酚氧化降解速率为改性前活性炭AC0/PS体系中的5倍；在降解苯酚的反应中，最佳PS/苯酚比例为3:1，ACNH的最佳投加量为0.4 g/L，且ACNH的pH值适用范围宽。
　　(3)通过尿素处理使活性炭表面实现氮原子的掺杂，并将得到的活性炭UAC和UACN用于活化PS降解苯酚。结果表明，氮原子的掺杂能够提高活性炭活化PS的能力，UAC/PS体系和UACN/PS体系中苯酚的氧化速率分别为AC0/PS体系中的1.5倍和2倍；UACN活化PS氧化苯酚的反应中，最佳PS/苯酚比例为2:1，ACNH的最佳投加量为0.4 g/L，UACN的pH值适用范围是酸性和中性溶液。
　　(4)利用 N2等温吸附、元素分析、X射线光电子能谱、扫描电镜等手段对改性前后活性炭表面性质进行表征分析，发现活性炭表面的醌基、吡喃酮、吡啶氮（N-6）和吡咯氮（N-5）等碱性官能团，以及碳层的离域π电子和表面缺陷位点的增加，能够促进PS的活化；-COOH和-NO2等吸电子基团则对PS的活化起抑制作用。
　　(5)活性炭活化PS降解苯酚的机理是：活性炭将反应物PS和苯酚吸附在活性炭的近表面，活性炭表面的碱性官能团和离域π电子作为 Lewis碱位点提供电子给 PS，使其产生 SO4-·；通过对反应过程中溶液的 COD值、pH值以及产物浓度测定，发现苯酚能够完全降解；

目录

声明

第一章 绪论

1.1 煤气化废水的研究进展

1.2 高级氧化技术

1.3 活性炭活化过硫酸盐

1.4 选题背景及意义

第二章 实验部分

2.1 化学试剂与实验仪器

2.2 活性炭的改性

2.3 活性炭的活性评价

2.4 活性炭的表征

第三章 消除过硫酸钾对CO D测量的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果分析与讨论

3.4 结论

第四章 高温改性活性炭活化过硫酸盐降解苯酚

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 氮掺杂活性炭活化过硫酸盐降解苯酚

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 苯酚降解机理和产物分析

6.1 引言

6.2 降解产物分析

6.3 活性炭活化过硫酸盐降解苯酚的机理

6.4 结论

第七章 论文总结与建议

7.1 论文总结

7.2 本论文的创新点

7.3 进一步工作建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文