CWAO中催化剂的制备与偶氮染料降解历程研究

摘要

湿式氧化法(Wet Air Oxidation，WAO)是一种高级氧化技术，是在高温和高压条件下，利用氧和空气或其他氧化剂将废水中的有机物氧化成二氧化碳和水，从而达到去除污染物的目的。它是处理高浓度、难降解有机废水的有效方法，但传统的WAO工艺反应条件苛刻、处理成本高、对设备要求严格，大大限制了该技术的推广应用。为了降低湿式氧化法的反应温度和压力，同时提高处理效果，出现了催化湿式氧化法(Catalytic Wet AirOxidation，简称CWAO)，它是在湿式氧化的基础上加入适宜的催化剂，产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)，从而加快反应速率，提高降解效果。探索CWAO方法降解染料分子的历程及其研究高活性、高稳定性的催化剂处理染料废水具有重要的理论和实践意义。
　　 本文以三种不同的偶氮染料（甲基橙、直接深棕、直接绿）为目标降解物，围绕CWAO工艺中催化剂的研制这一技术关键，制备了负载型催化剂CuO/γ-Al2O3和Fe2O3/γ-Al2O3，以及复合型催化剂CuO-CeO2/γ-Al2O3。筛选出了最佳催化剂CuO/γ-Al2O3及其制备条件，对该催化剂结构特性和稳定性进行了表征，考察了催化剂在CWAO工艺中的催化活性，利用高压反应釜获得了去除污染物的最佳工艺参数，并在此基础上研究了三种不同偶氮染料在相同反应条件下相似的降解历程，最后利用水杨酸间接手段检测了CWAO反应中起关键作用的·OH的存在。
　　 本文首先以γ-Al2O3为载体，硝酸铜溶液Cu(NO3)2和硝酸铁溶液Fe(NO3)3为浸渍液，采用浸渍法制备了两种不同活性组分的非均相负载型催化剂CuO/γ-Al2O3和Fe2O3/γ-Al2O3，其中前者催化活性明显高于后者，CuO/γ-Al2O3降解染料的脱色率几乎达100％;在此基础上添加Ce组分作为助催化剂制备了复合型催化剂CuO-CeO2/γ-Al2O3，但催化效果不如前者。分别采用单因素和正交实验考查了制备因素对催化活性的影响，得出最佳制备条件为浸渍液浓度0.2mol/L、浸渍温度35℃、浸渍时间12h、焙烧温度350℃和焙烧时间3h。制备因素影响顺序为：焙烧温度＞焙烧时间＞浸渍液浓度＞浸渍温度＞浸渍时间。
　　 其次，研究了催化湿式氧化法(CWAO)降解偶氮染料工艺条件。以甲基橙为目标降解物，分别研究了反应温度、氧分压、pH、催化剂用量及染料初始浓度等因素对催化湿式氧化效果的影响，得出反应温度对其影响最大。研究结果表明：在温度210℃、氧分压l.0MPa、pH=9、催化剂投加量25.71g/L、反应2h后染料废水脱色率接近100％，COD和TOC去除率均达到80％以上。研究发现，该技术对其它不同偶氮染料均具有较高的脱色率、TOC和COD去除率。
　　 最后，在研究CWAO工艺基础上，分析了不同结构偶氮染料的降解历程，并推断了其反应机理。采用紫外/可见分光光度计（UV-Vis）、傅里叶红外光谱仪(IR)和质谱(MS)等检测手段对染料降解过程进行跟踪和分析，对比染料处理前后紫外/可见光谱图与红外光谱图的变化，并结合TOC去除率的变化说明在CWAO降解过程中，染料分子结构中的偶氮键发生断裂，破坏了分子结构的偶氮-苯环共轭发色体系，从而达到了脱色的目的，苯环断开并伴有低分子有机物产生，部分最终彻底降解为CO2和H2O。最后借助水杨酸验证了CWAO体系中·OH的产生及反应机理。