臭氧及均相催化臭氧化降解乙酸

摘要

本文首先综述了臭氧的物理化学性质和在水处理方面的应用经验,重点探讨了近年来发展起来的均相催化臭氧化技术。基于臭氧水处理领域的研究现状和一些不足,提出了本论文的研究目的和主要任务。本论文的研究内容主要包括三部分:Ti(Ⅳ)催化H2O2/O3降解乙酸:Ti(Ⅳ)/H2O2/O3降解乙酸反应特性研究；不同金属离子均相催化臭氧化乙酸的对比研究。上述研究结果对推广Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系在实际中的应用意义非常显著。
　　 在第四章中,研究了酸性条件下Ti(Ⅳ)对H2O2/O3体系[Ti(Ⅳ)/H2O2/O3]降解水中乙酸效率的影响,优化了工艺参数,并对其机理进行了分析。结果表明:在pH为2.8条件下,加入Ti(Ⅳ)能明显提高H2O2/O3降解乙酸的效率,如30min后Ti(Ⅳ)/H2O2/O3对乙酸的去除率达到了52.0％,而H2O2/O3的去除率为5.6％。在本实验条件下,当钛离子浓度为6 mg·L-1,过氧化氢投加量为120 mg·L-1时,Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系对乙酸具有较高的降解率(52.0％)。pH对Ti(Ⅳ)/H2O2/O3降解效率的影响并不明显,这可能与体系在不同pH条件下均存在特定的引发剂有关。鉴于H2O2/O3的缺陷和特点,Ti(Ⅳ)/H2O2/O3更适合在酸性条件下使用,是对H2O2/O3体系的有益补充。叔丁醇实验结果表明:Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系降解乙酸遵循羟基自由基机理。定量化计算表明,H2O2/O3和Ti(Ⅳ)/H2O2/O3的Rct值分别为5.548×10-9和2.128×10-7,表明后者能产生更多的羟基自由基。
　　 在第五章中,实验对Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系去除水中乙酸的动力学进行了初步研究,考察了不同工艺参数对催化臭氧降解性能的影响规律。研究结果表明:有机物初始浓度对降解过程有影响,且表观反应速率常数随乙酸初始浓度的升高而降低。不同初始pH下,H2O2/O3和Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系对乙酸的降解均符合拟一级反应动力学规律,且表观速率常数均随pH的升高而增大。不同pH下两种体系反应速率常数的差异,表明Ti(Ⅳ)/H2O2/O3催化体系更适合在酸性条件下应用。在一定范围内增加Ti(Ⅳ)或H2O2的浓度均有利于提高Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系对乙酸的去除率。经优化表明,乙酸的初始浓度与Ti(Ⅳ)浓度的比应取50:3,H2O2:Ti(Ⅳ)的质量浓度比应控制在40以内。
　　 在第六章中,研究对比了Ti(Ⅳ)、Fe(Ⅱ)均相催化臭氧化降解乙酸的效能,并对各自的催化机理进行了分析。结果表明:在pH=2.8时,M(指金属离子)/O3体系和M/H2O2体系对乙酸均无明显的降解效果；而在M/H2O2/O3体系中,Fe(Ⅱ)/H2O2/O3体系对乙酸的降解效果有限,Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系对乙酸有较高的去除效率。采用间歇投加H2O2方式时乙酸的去除率要好于一次投加方式时的去除率。在pH=5时,M/O3体系同样对乙酸无明显的催化降解效果；Fe(Ⅱ)/H2O2/O3体系对乙酸的去除率比H2O2/O3体系并未有所提高,Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系对乙酸的降解效率与H2O2/O3体系相比提高了29％。以上结果表明,Ti(Ⅳ)/H2O2/O3体系具有在水处理中应用的潜力,极有可能成为一种高效、经济地去除水中难降解有机污染物的新工艺。