非平衡等离子体与多孔炭材料降解染料废水的协同效应

论文摘要

非平衡等离子体水处理技术是集羟基（·OH）等自由基和过氧化氢（H2O2）、臭氧（O3）等活性物质的作用于一体的高级氧化技术,因其能耗少、处理效率高、反应迅速且无选择性、无二次污染等优势,使该技术呈现出良好的应用前景和很大的市场潜力。从目前研究的现状看,放电反应器的结构以及吸附/催化剂的合理选择是限制该技术优势充分发挥的主要障碍。为此,本论文设计了一种新型的放电反应器,以甲基橙为模拟污染物,考察了反应器电极结构及各种工艺参数对降解率、矿化度和能量效率的影响。探索了非平衡等离子体与颗粒活性炭（GAC）、活性炭纤维（ACF）、活性炭纤维复合光催化材料（TiO2/ACF）联合处理的协同效应,考察了GAC和ACF的吸附性能、催化O3转化成·OH的性能以及TiO2/ACF的吸附和光催化性能;分析了脉冲放电对其孔结构和表面化学性质的影响,探讨了非平衡等离子体与上述材料联合处理的协同机制。通过一系列的实验研究和分析,取得了如下研究成果:高压脉冲电源向液相中的高压针电极和气相中地电极施加脉冲高压后,在液相和气相同时放电,液相产生·OH、H2O2等活性物种,气相产生O3。在地电极之上注入处理溶液并且在处理溶液中设置阻挡网,提高了O3的利用率。循环管和蠕动泵使预氧化区和主氧化区中的溶液构成循环,使预氧化区中经O3氧化的溶液在主氧化区进一步得到处理,实现了多种氧化技术的有机结合,提高了处理效率。主氧化区降解有机污染物的主要途径是·OH进攻,预氧化区降解有机污染物存在两种机理,即O3的亲电子进攻和O3分解产生?OH的进攻。处理40mg/L的0.1L溶液,降解率达到90%,实验误差小于3.4%。增加溶液初始浓度或处理液量能提高O3的利用率,从而提高反应器的能量效率,处理0.1L浓度为40、60、80、100mg/L的溶液,反应器的能量效率分别达到2.1、2.8、3.4、3.6g/（kWh）;处理液量增大1倍,反应器的能量效率分别增加到4.1、5.4、5.9和5.9g/（kWh）。脉冲放电与GAC或ACF联合处理显示出很好的协同效应,协同效应的产生主要归因于GAC和ACF的吸附和催化作用。GAC和ACF是一个浓集中心,在其表面及其周围毗邻区域通过吸附创造了高浓度的环境,而GAC和ACF表面则是转化分解中心,其表面上的碱性官能团能促进O3分解产生·OH,从而提高了甲基橙的降解率和COD的去除率。由于孔结构和表面化学性质的差异,使ACF表现出比GAC更优异的吸附和催化性能,脉冲放电与GAC联合处理浓度为60mg/L的0.2L溶液,降解率始终维持在92%左右,COD的去除率达到78%,能量效率达到6.2g/（kWh）;脉冲放电与ACF联合处理浓度为80mg/L的0.2L溶液,降解率始终维持在92%左右,COD的去除率达到82%,能量效率达到8.3g/（kWh）。重复使用表明GAC和ACF的吸附和催化活性未因使用次数的增加而降低,而且GAC和ACF在脉冲放电过程中获得了原位再生,再生率分别达到80%和90%。在脉冲放电过程中,由于非平衡等离子体和O3的共同氧化,GAC和ACF表面的酸性和碱性官能团都具有不同程度的增加,比表面积和孔容具有不同程度的增加或减少,因此,GAC和ACF在联合处理过程中起着催化O3转化成·OH的引发剂或催化助剂的作用。脉冲放电与TiO2/ACF的联合处理表现出明显的协同效应,协同效应的产生主要归因于TiO2/ACF的吸附和TiO2的光催化作用。由于吸附的溶解O3很容易与TiO2表面上的电子反应,减少了TiO2表面上电子与空穴的复合,提高了光催化反应的光量子效率,从而使反应趋于更彻底。重复使用过程中TiO2/ACF的催化活性基本保持不变,处理0.2L浓度为80mg/L的溶液,降解率维持在97%,COD的去除达到91%,能量效率达到8.7g/（kWh）,且TiO2/ACF的再生率达到了95%。在重复使用过程中,TiO2/ACF的表面形态和性质不受脉冲放电的影响,而孔结构仅有较小的改变。用ACF做光催化剂的载体既可达到固载的效果,同时又藉以良好的界面传质实现了吸附与催化的有机结合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 高级氧化技术
• 1.1.1 光化学氧化
• 1.1.2 光催化氧化
• 1.1.3 电催化氧化
• 1.2 非平衡等离子体水处理技术
• 1.2.1 非平衡等离子体的概念
• 1.2.2 非平衡等离子体的产生
• 1.2.3 非平衡等离子体水处理技术的原理
• 1.2.4 非平衡等离子体水处理技术的特点
• 1.3 非平衡等离子体水处理技术的研究进展
• 1.3.1 电源技术
• 1.3.2 非平衡等离子体水处理反应器
• 1.3.3 脉冲放电过程中的物理效应
• 1.3.4 脉冲放电过程中的化学反应
• 1.3.5 催化剂在放电反应器中的应用
• 1.4 研究思路及研究内容
• 1.4.1 研究思路
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 化学试剂与实验材料
• 2.2 常用实验仪器设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 甲基橙溶液浓度的测定
• 2.3.2 过氧化氢浓度的测定
• 2.3.3 溶解臭氧浓度的测定
• 2.3.4 化学耗氧量的测定
• 2.3.5 溶液pH 的测定
• 2.3.6 溶液电导率的测定
• 2.3.7 电压与电流波形的测量
• 2.4 样品的表征
• 2.4.1 Boehm 滴定
• 2.4.2 pHpzc 的测定
• 2.4.3 氮吸附测试
• 2.4.4 傅立叶红外光谱分析
• 2.4.5 扫描电镜
• 2.4.6 X 射线衍射
• 2.5 分析方法
• 2.5.1 降解率
• 2.5.2 COD 去除率
• 2.5.3 饱和吸附量计算
• 2.5.4 协同强度
• 2.5.5 增加强度
• 2.5.6 再生率
• 2.5.7 输入功率
• 2.5.8 能量效率
• 第3章 非平衡等离子体水处理反应器的设计及性能评价
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置及方法
• 3.2.1 高压脉冲电源
• 3.2.2 非平衡等离子体水处理反应器
• 3.2.3 反应器设计思想
• 3.2.4 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 高压电极结构对降解率的影响
• 3.3.2 电极间距及气流量对降解率的影响
• 3.3.3 地电极结构及阻挡网对降解率的影响
• 3.3.4 不同放电方式对降解率的影响
• 3.3.5 外加电压及脉冲频率对降解率的影响
• 3.3.6 溶液pH 值及电导率对降解率的影响
• 3.3.7 体系温度对降解率的影响
• 3.3.8 初始溶液浓度及体积对降解率、能量效率和COD 去除的影响
• 3.3.9 实验重复性能
• 3.3.10 非平衡等离子体降解有机物的途径
• 3.4 本章小结
• 第4章 非平衡等离子体与活性炭联合处理染料废水的协同效应
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 活性炭的选择
• 4.2.2 饱和活性炭样品的制备
• 4.2.3 样品的表征
• 4.2.4 实验装置及方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 反应器操作参数的优化
• 4.3.2 活性炭的吸附作用
• 4.3.3 活性炭的催化作用
• 4.3.4 活性炭的重复使用性能
• 4.3.5 活性炭的再生
• 4.3.6 脉冲放电对活性炭孔结构的影响
• 4.3.7 脉冲放电对活性炭表面性质的影响
• 4.3.8 非平衡等离子体与活性炭联合处理的协同机制
• 4.4 本章小结
• 第5章 非平衡等离子体与活性炭纤维联合处理染料废水的协同效应
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 样品的制备
• 5.2.2 样品的表征
• 5.2.3 实验装置及方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 反应器操作参数的优化
• 5.3.2 活性炭纤维的孔结构特征和表面性质
• 5.3.3 活性炭纤维的吸附作用
• 5.3.4 活性炭纤维的催化作用
• 5.3.5 活性炭纤维的重复使用性能
• 5.3.6 脉冲放电对活性炭纤维孔结构的影响
• 5.3.7 脉冲放电对活性炭纤维表面性质的影响
• 5.3.8 非平衡等离子体与活性炭纤维联合处理的协同机制
• 5.4 本章小结
• 2/ACF联合处理染料废水的协同效应'>第6章 非平衡等离子体与TiO₂/ACF联合处理染料废水的协同效应
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 活性炭纤维复合光催化材料的制备
• 6.2.2 样品的表征
• 6.2.3 实验装置及方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 操作参数的选择
• 2/ACF 样品的XRD'>6.3.2 TiO₂/ACF 样品的XRD
• 2/ACF 样品的表面形貌'>6.3.3 TiO₂/ACF 样品的表面形貌
• 2/ACF 样品的孔结构特征和表面性质'>6.3.4 TiO₂/ACF 样品的孔结构特征和表面性质
• 6.3.5 溶液电导率和pH 值对联合处理过程的影响
• 2/ACF 样品的重复使用性能'>6.3.6 TiO₂/ACF 样品的重复使用性能
• 2/ACF 样品孔结构及表面性质的影响'>6.3.7 脉冲放电对TiO₂/ACF 样品孔结构及表面性质的影响
• 2/ACF 联合处理的协同机制'>6.3.8 非平衡等离子体与TiO₂/ACF 联合处理的协同机制
• 6.4 本章小结
• 结论
• 1、论文的主要研究成果和结论
• 2、下一步的工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介