光催化膜反应器和光电催化反应器对天然有机物富里酸的降解机理与动力学研究

摘要

水中天然有机物(Natural Organic Matter,NOM)对水质及水处理过程有重要的影响.天然有机物的存在往往使水体呈现颜色,氯消毒时生成消毒副产物,且不能被常规饮用水工艺有效的去除,因此开展水中天然有机物的去除研究具有十分重要的意义.本文以水中天然有机物富里酸(Fulvic acid,FA)为目标,研究富里酸光催化氧化和光电催化氧化的降解机理和反应动力学,并对富里酸破坏前后影响三氯甲烷生成潜能的机理做了探讨. 在光催化剂筛选过程中,对比了粉末态P25和颗粒状纳米结构TiO<,2>的光催化性能.研究结果表明,颗粒状纳米结构TiO<,2>催化剂不仅具有较高的活性,而且沉降I生能良好.比较了这两种光催化剂在淹没式膜光催化反应器中对微滤膜的过滤性能,通过对比膜通量变化和P25粉末在溶液中粒度分布变化及其在膜表面SEM图分析,可以得出P25粉末易在膜表面的沉积造成膜的污染.投加颗粒状光催化剂可有效延缓膜的污染,长时间维持膜的高通量运行.从富里酸的光催化反应动力学推导可知,FA在低浓度时符合一级反应动力学模式,其颗粒状纳米结构TiO<,2>反应速率常数为0.0117min<'-1>. 将颗粒状纳米结构TiO<,2>光催化氧化技术与膜分离技术有效结合,开发出两类光催化膜反应器,即外置式膜光催化反应器(RMPR)和淹没式膜光催化反应器(SMPR).经试验验证两类反应器基本符合全混流反应器模型. 利用外置式膜光催化反应器对富里酸氧化降解的结果表明,该反应器不但能有效去除水中富里酸,而且可以将颗粒状光催化剂与液体完全分离并返回光催化单元,重复循环使用.首次将添加剂过硫酸钾(PP)引入影响富里酸光催化氧化因素之中并建立起TiO<,2>投加量、添加剂浓度、光强的动力学模型.粉末态光催化剂P25和颗粒状光催化剂在错流式超滤外置式膜光催化反应器中均对膜通量的影响较小. 对于淹没式膜光催化反应器而言,颗粒状催化剂的最佳投加量为0.5g/L,富里酸在酸性条件和曝气强度为18.75 m<'3>/m<'3>·h下反应2h可以获得73﹪的TOC去除率,同时建立起富里酸TOC去除率与平均停留时间的关系,经试验验证理论值与试验值符合较好.在恒定的处理量和操作条件下,经过120h的连续处理试验,富里酸的降解率稳定,颗粒状催化剂不但可以完全被分离,且颗粒状光催化剂在反复使用时具有很好的机械强度和光催化活性. 用响应面方法对多孔Ti/ZiO<,2>光电降解富里酸的过程进行了优化研究.通过建立影响富里酸光电催化降解的三个因素(外加偏压V、电解质浓度PP、溶液oH值)与TOC去除率之间的二次响应曲面模型,得到TOC去除率达最高时的最优pH值、电解质浓度和外加偏电压分别为:3.8、88.40mg/L、0.88V.对响应面方程方差分析表明该模型具有较高的回归相关性(R<'2>=97.54﹪),且试验与模型预测值的相对误差在1.3﹪-8.2﹪范围内,与试验结果吻合程度较高.另外该Ti/YiO<,2>电极的稳定性强,用于光电催化处理40h其光电性能变化不大.因而光电催化氧化技术可用于处理含有一定电解质的低浓度富里酸溶液. 对富里酸氧化前后影响三氯甲烷生成潜能做了机理探讨,考察了需氯量、THMs、EEMs的变化.随着富里酸TOC浓度的增加,三氯甲烷生成量逐渐增大,依据色-质联机图谱变化分析富里酸氧化前后氯化过程,经过2h的光电催化降解,THMs生成能可被减少约81﹪.荧光光谱图也充分说明了经过光电催化氧化,富里酸溶液的荧光光强明显减弱,腐殖化程度降低,因此通过光电催化氧化可有效破坏富里酸的结构使得氯化过程产生的DBPs量大大减少.

目录

文摘

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第一章文献综述

1.1光催化氧化技术

1.1.1半导体光催化氧化技术的研究与发展概况

1.1.2光催化氧化技术的基本机理

1.1.3影响光催化效果的主要因素

1.1.4光催化反应器

1.1.5光催化氧化技术存在问题与发展方向

1.2光电催化氧化技术

1.2.1光电催化氧化反应进程及原理

1.2.2光电反应器

1.2.3光电反应的影响因素

1.2.4存在问题及发展方向

1.3膜分离技术

1.3.1膜分离的种类与特点

1.3.2微滤/超滤膜分离原理及过滤方式

1.3.3微滤/超滤膜分离技术处理饮用水的概况

1.3.4膜技术在光催化氧化技术中的应用概况

1.4水中天然有机物处理及研究进展

1.4.1水中天然有机物

1.4.2去除水中天然有机物的意义及处理技术概述

第二章研究背景、目的、研究内容及意义

2.1课题来源、论文研究背景及目的

2.2论文的主要研究内容

2.3研究意义

第三章颗粒状纳米结构TiO2与粉末态TiO2催化剂的性能分析

3.1试验装置与方法

3.1.1试剂、材料与仪器

3.1.2反应装置

3.1.3分析方法

3.1.4试验方法

3.2结果与讨论

3.2.1催化剂的表征

3.2.2沉淀特性比较

3.2.3光催化性能比较

3.2.4 TiO2光催化降解动力学

3.2.5不同光催化剂对膜过滤性能的影响

3.3本章小结

第四章外置式膜光催化反应器(RMPR)降解富里酸的研究

4.1概述

4.2试验材料与方法

4.2.1试剂及材料

4.2.2外置式膜光催化反应器

4.2.3分析方法

4.2.4试验方法

4.3结果与讨论

4.3.1反应器流态特性与试验验证

4.3.2光催化剂对超滤膜过滤性能的影响

4.3.3富里酸在RMPR中的降解

4.4本章小结

第五章淹没式膜光催化反应器(SMPR)降解富里酸的研究

5.1概述

5.2试验材料与方法

5.2.1试剂及材料

5.2.2淹没式膜光催化反应器

5.2.3分析方法

5.3结果与讨论

5.3.1反应器流态特性试验

5.3.2运行条件对膜过滤性能的影响

5.3.3富里酸去除率与停留时间的关系

5.3.4 TiO2浓度的影响

5.3.5 pH值对FA氧化的影响

5.3.6曝气强度的影响

5.3.7颗粒状光催化剂的稳定性

5.4本章小结

第六章Ti/TiO2光电反应器(PECR)降解富里酸的研究

6.1概述

6.2试验材料与方法

6.2.1试剂与材料

6.2.2光电反应器

6.2.3分析方法

6.2.4试验过程

6.3响应面法拟合与分析原理

6.4结果与讨论

6.4.1初始试验

6.4.2响应面法试验设计

6.4.3模型分析

6.4.4模型3D及等高图分析

6.4.5模型的验证

6.4.6 Ti/TiO2电极的稳定性

6.5本章小结

第七章富里酸降解抑制三氯甲烷生成能的机理研究

7.1概述

7.2实验仪器

7.3分析方法

7.3.1 GS-MS分析

7.3.2 Fluorescence spectroscopy分析

7.3.3耗氯量及三氯甲烷

7.4试验水样

7.5结果与讨论

7.5.1耗氯量

7.5.2三氯甲烷生成能(THMFP)

7.5.3荧光光谱分析(EEMs)

7.6本章小结

第八章结论、创新点、建议与展望

8.1结论

8.2创新点

8.3建议

8.4展望

参考文献

博士期间发表论文和参加科研情况

致谢