纳米TiO2光催化结合辐照技术处理造纸中段废水的研究

论文摘要

光催化技术在环境治理上的应用在近几十年来受到广泛关注。目前国内外大量文献报导了低浓度、单一组份有机废水的光催化降解研究，但对于光催化降解高浓度复杂实际有机废水的研究极为少见。造纸中段废水的水量大、浓度高、颜色深、污染物种类多且回收价值低，处理难度很大。目前中段废水的处理方法主要包括物化法和传统的活性污泥法或氧化沟等，都能去除部分的污染物，但存在许多不足之处，其最终出水的COD很少达到小于100mg/L的标准。本论文以矿物基纳米TiO2材料为光催化材料，研究材料制备因素对光催化降解效率的影响，并以含有高浓度水溶性有机物的实际造纸废水为对象，对影响光催化降解造纸废水中有机污染物效率的几个因素进行初步研究，获得了一些重要结论和参数，对指导工程实践具有重要价值。辐射技术是近年来兴起的一种高级氧化处理技术，国际原子能机构将辐射技术在环境保护中的应用列为21世纪原子能和平利用的主要研究方向。但是，单独应用辐射技术处理废水往往需要很高的剂量，从而导致该技术成本太高，难以实用化。本文将辐照技术与纳米TiO2光催化技术相结合，一方面解决了辐照技术中的能源问题，降低了成本；另一方面也解决了光催化材料在应用过程中由于其光子利用率较低，对光源要求较高的一系列难题；并结合传统生物工艺处理造纸废水，能降低处理成本。本课题研究结论如下：（1）褐铁矿/纳米TiO2光催化材料处理造纸废水是可行的，且在下列条件下制备的光催化材料可以达到处理效果最佳：Ti/褐铁矿比40mmol/g，反应温度60℃，焙烧温度500℃，焙烧时间2h，影响因素重要性顺序：焙烧温度＞反应温度＞焙烧时间＞Ti/褐铁矿比；（2）纳米TiO2光催化剂一直以来对高浓度和有色废水处理起来比较困难，但在辐照作用下其性能可以得到很好的发挥，在1kGy的辐照剂量、1g/L的纳米TiO2（P25）和纯氧曝气下对厌氧进水、厌氧出水、好氧进水中COD的去除率可高达68．85％，50．0％和42．86％。另外，其协同处理过程对水质急性毒性的去除效果也比较明显。（3）本文依托清华大学核能与新能源技术研究院国家自然科学基金项目（批准号50678089），将辐照与传统生物处理结合处理造纸废水作了初探，结果发现，辐照技术的引入能有效减少絮凝剂的投加，降低其处理成本，这对今后光催化技术向工业化应用过渡提供了借鉴。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 造纸废水现状
• 1.1.1 造纸工业简述
• 1.1.2 造纸废水的组成
• 1.1.3 造纸废水的危害
• 1.1.4 造纸废水处理常用方法及新技术
• 1.2 光催化技术及研究进展
• 1.2.1 半导体光催化理论
• 2光催化材料的制备'>1.2.2 纳米TiO₂光催化材料的制备
• 2光催化材料活性的途径'>1.2.3 提高TiO₂光催化材料活性的途径
• 2光催化材料的负载技术'>1.2.4 纳米TiO₂光催化材料的负载技术
• 1.2.5 光催化技术进展及研究方向
• 1.3 辐照技术在造纸废水中的应用
• 1.3.1 水溶液体系的辐射体制
• 1.3.2 辐射降解水体中有机污染物的作用机理
• 1.3.3 造纸废水中有机卤化物的辐解
• 1.4 课题研究目的意义及内容
• 1.4.1 课题研究目的
• 1.4.2 课题研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验仪器、药品和材料
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验药品及材料
• 2.2 实验方案及步骤
• 2光催化材料的制备'>2.2.1 矿物负载纳米TiO₂光催化材料的制备
• 2.2.2 废水处理实验
• 2.3 表征手段
• 2.3.1 仪器分析表征
• 2.3.2 pH值
• 2.3.3 化学需氧量（COD）去除率
• 2.3.4 脱色率
• 2.3.5 生物毒性去除率
• 2光催化材料的制备及处理造纸废水的研究'>第3章 褐铁矿/纳米TiO₂光催化材料的制备及处理造纸废水的研究
• 2光催化材料制备过程的影响因素研究'>3.1 褐铁矿/纳米TiO₂光催化材料制备过程的影响因素研究
• 3.1.1 Ti/褐铁矿比对光催化活性的影响
• 3.1.2 水解温度对光催化活性的影响
• 3.1.3 焙烧温度对光催化活性的影响
• 3.1.4 焙烧时间对光催化活性的影响
• 3.1.5 正交试验设计
• 3.1.6 表征与机理分析
• 2光催化材料在造纸废水处理中的影响因素研究'>3.2 褐铁矿/纳米TiO₂光催化材料在造纸废水处理中的影响因素研究
• 3.2.1 反应时间的影响
• 3.2.2 催化剂投加量的影响
• 3.2.3 pH的影响
• 3.2.4 催化剂的回收利用试验
• 2光催化材料降解造纸废水机理分析'>3.2.5 矿物基纳米TiO₂光催化材料降解造纸废水机理分析
• 3.3 本章小结
• 2协同处理造纸废水及准工业化研究'>第4章 辐照技术与纳米TiO₂协同处理造纸废水及准工业化研究
• 4.1 辐照降解有机污染物的影响因素
• 4.1.1 吸收剂量对造纸废水降解的影响
• 4.1.2 曝气作用对γ辐照降解造纸废水的影响
• 2投加的影响'>4.1.3 TiO₂投加的影响
• 4.1.4 水质的影响
• 2与γ辐照协同作用对造纸废水的影响'>4.2 纳米TiO₂与γ辐照协同作用对造纸废水的影响
• 4.2.1 COD的变化
• 4.2.2 pH值的变化
• 4.2.3 生物毒性的变化
• 4.3 辐照光催化与传统光催化的比较
• 4.3.1 可见光下对造纸废水的降解
• 4.3.2 紫外光下对造纸废水的降解
• 4.3.3 空白实验
• 2与市售型纳米TiO₂（P25）比较分析'>4.3.4 矿物基纳米TiO₂与市售型纳米TiO₂（P25）比较分析
• 4.4 辐照技术与生物处理的组合工艺研究
• 4.4.1 生物处理工艺流程
• 4.4.2 生物处理效果
• 4.4.3 辐照技术结合生物处理作用试验
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 存在的问题及建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录:硕士研究生期间发表论文