辉光放电等离子体技术处理难降解有机污染物及机理研究

论文摘要

近年来,由于等离子体技术在废水治理方面的优势,逐渐展露出良好的应用前景。作为等离子体技术中的一个分支,辉光放电等离子体水处理技术作为一种新兴技术,在常温较低电压下就可以实现对废水的等离子体降解,反应过程具有高效率、重现性好、对于有机污染物的降解无选择性的特点。与常用的高压脉冲等离子体水处理技术相比,不但电磁干扰弱,而且方法简单、反应器所需电量小、能耗低,因此,具有较高实用价值和工业化的潜力。本文将接触辉光放电等离子体技术应用到含难降解有机污染物废水的处理之中,以甲基橙和苯酚水溶液为模拟废水,着重进行了以下研究工作:首先探明了用接触辉光放电等离子体技术处理甲基橙的最佳工艺条件。在实验过程中,系统研究了在不同电压、初始浓度、反应时间等条件下,接触辉光放电等离子体技术对甲基橙溶液的处理效果;其次,为提高降解效率,参考芬顿试剂的作用机理,通过在反应液中添加少量的Fe2+,研究了在有Fe2+作为催化剂时,水溶液中甲基橙的辉光放电等离子体降解反应效果和反应历程。当操作电压是480 V及电流约65-80 mA时,考察了不同反应时间、不同Fe2+浓度、以及Cu2+、Ce3+对甲基橙辉光放电电解效果的影响;最后对用接触辉光放电技术处理有机废水的机理进行了进一步探讨。实验结果表明,接触辉光等离子体技术可以有效降解水体中的甲基橙,当接触辉光放电等离子体技术的操作电压是480V及电流约80 mA时,在pH=7.4的条件下,反应90分钟后,甲基橙溶液的色度去除率为48.8%,部分分解产物经过胺基和羧基的的中间体并最终转化为无机碳。由紫外-可见光谱,高压液相-质谱对中间产物的分析结果,提出了可能的降解历程。甲基橙的辉光电解氧化降解过程遵循一级反应动力学,初步认为羟基自由基在开始氧化降解过程起关键的作用。在添加Fe2+后,与不添加催化剂之前相比,甲基橙的反应速率增大了8倍。通过添加Cu2+、Ce3+和Fe2+的条件下的对比实验看出,Cu2+、Ce3+和Fe2+都可以加速甲基橙的催化氧化降解过程,并且其反应过程均遵循一级反应动力学。但甲基橙降解反应的速率增加的最多,效果最为明显,反应40分钟后甲基橙溶液的色度去除率达到91.6%。通过紫外-可见光谱,高压液相-质谱对中间产物的分析结果,提出了在Fe2+催化条件下甲基橙的辉光放电降解反应历程,认为由添加Fe2+引起的羟基自由基生成量的增大在加速氧化降解过程起关键的作用。在机理研究中,以甲基紫为“探针”,通过对接触辉光放电体系中的羟基自由基浓度的跟踪检测,发现在加入Fe2+条件下,可有效增大甲基橙辉光放电电解反应过程中羟基自由基的浓度。通过对体系中过氧化氢浓度的测定,认为过氧化氢在在辉光放电降解有机物的反应过程中,不直接起氧化作用,为通过用增加羟自由基的产量以提高有机物的降解效率提供了进一步的实验依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 难降解有机废水治理技术进展
• 1.2.1 生物处理方法
• 1.2.2 物理处理方法
• 1.2.3 化学处理方法
• 1.3 等离子体水处理技术
• 1.3.1 等离子体的定义及其分类
• 1.3.2 等离子体化学简介
• 1.3.3 低温等离子体水处理技术的原理及特点
• 1.3.4 高压脉冲等离子体水处理技术
• 1.3.5 辉光放电等离子体水处理技术基础
• 1.4 本文的选题背景及主要研究内容
• 1.5 技术路线
• 参考文献
• 第二章 实验器材与方法
• 2.1 试剂和仪器
• 2.2 实验装置和方法
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 接触辉光放电降解甲基橙的实验过程
• 2.2.3 甲基橙含量的测定
• 2+催化协同降解甲基橙的实验过程'>2.2.4 Fe²⁺催化协同降解甲基橙的实验过程
• 2O₂ 浓度的测定'>2.2.5 H₂O₂浓度的测定
• 2.2.6 羟基自由基浓度的测定
• 2.2.7 苯酚浓度的测定
• 2.2.8 有机污染物的表征方法
• 参考文献
• 第三章 接触辉光放电降解甲基橙的研究
• 3.1 产生辉光放电等离子体电流、电压实验参数的确定
• 3.2 反应时间对辉光放电降解甲基橙的影响
• 3.3 电压对辉光放电降解甲基橙的影响
• 3.4 甲基橙的初始浓度对去除率的影响
• 3.5 甲基橙降解反应产物的分析
• 3.6 反应机理
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 亚铁离子催化和辉光放电协同降解甲基橙的研究
• 4.1 产生辉光放电等离子体过程的电流和电压参数的确定
• 4.2 不同反应时间对甲基橙降解的影响
• 2+前后甲基橙降解率变化对比'>4.3 添加Fe²⁺前后甲基橙降解率变化对比
• 2+前后甲基橙降解动力学变化对比'>4.4 添加Fe²⁺前后甲基橙降解动力学变化对比
• 2+对甲基橙降解的影响'>4.5 添加不同浓度Fe²⁺对甲基橙降解的影响
• 4.6 辉光放电时间与溶液pH 之间的关系
• 4.7 中间产物及反应历程
• 4.8 机理分析及反应动力学模型的建立
• 2+、Ce³⁺和Fe²⁺对甲基橙接触辉光放电电解反应催化作用的对比分析'>4.9 Cu²⁺、Ce³⁺和Fe²⁺对甲基橙接触辉光放电电解反应催化作用的对比分析
• 4.10 能量效率的分析
• 4.11 本章小结
• 参考文献
• 第五章 亚铁离子催化下辉光放电降解有机污染物的机理研究
• 5.1 羟基自由基测定机理分析
• 2+对羟基自由基生成速率的影响'>5.2 不同反应时间羟基自由基浓度变化及添加Fe²⁺对羟基自由基生成速率的影响
• 2+对过氧化氢生成速率的影响'>5.3 不同反应时间过氧化氢浓度变化及添加Fe²⁺对过氧化氢生成速率的影响
• 5.4 以苯酚为例探讨接触辉光放电电解过程中羟基自由基的作用
• 2+前后苯酚溶液在辉光放电等离子体作用下溶液pH 值变化'>5.5 添加Fe²⁺前后苯酚溶液在辉光放电等离子体作用下溶液pH 值变化
• 2+前后苯酚溶液在辉光放电等离子体作用下机理分析'>5.6 添加Fe²⁺前后苯酚溶液在辉光放电等离子体作用下机理分析
• 5.7 能量效率的分析
• 5.8 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 攻读博士学位期间发表或录用的论文情况
• 致谢