三维电极电解处理含酚废水的基础研究

论文摘要

焦化工业的发展使含酚废水的排放量越来越多,成分也越来越复杂。含酚废水COD含量高,苯环结构稳定,不易分解,可生化性差,处理难度大,其高效处理一直是环保工作者研究的热点。本课题以模拟苯酚废水为研究对象,提出三维电极法降解苯酚及碱洗-电化学再生联合法活化活性炭技术,详细研究了其工艺过程,并采用循环伏安法及交流阻抗法探讨了三维电极降解苯酚废水的机理,取得了如下成果：开发了三维电极法降解苯酚新工艺。采用单因素试验和正交试验研究了进水流量、进水pH值、水温、电流强度、电解时间、氯化钠投加量等因素对TOC降解效果的影响。采用预处理后的活性炭作为粒子电极,在进水pH值为6-7,进水流量为180 mL/min,水温为25℃,氯化钠投加量为1g/L,电流强度为100 mA,电解时间1.5 h时,总有机碳TOC的去除率可达95%以上。极差分析结果确定了影响因素主次顺序为：pH>电解时间>电流强度>电解温度。提出碱洗-电化学再生联合法活化活性炭技术。采用单因素实验考查了碱洗搅拌时间、碱洗pH值、电解时间、进水pH值、电流强度、进水流量、水温、氯化钠投加量等因素对活性炭再生效果的影响。控制碱洗搅拌时间为2.0 h,碱洗搅拌pH值12,电解时间0.5 h,进水pH值12,电流强度为100 mA,进水流量270mL/min,水温25℃,氯化钠投加量8g/L的条件能使活性炭恢复活性,对苯酚的降解效果仍能保持在95%以上。研究了苯酚在活性炭上的吸附热力学及动力学行为。采用预处理后的活性炭吸附苯酚,吸附过程遵守二级动力学方程,最大吸附量为0.27614g/g。吸附热为-33.046KJ/mol,吸附键强度较小,一个苯酚分子通过氢键吸附在活性炭界面两个活性点上；随着苯酚引入份数的增加,红外光谱在3432 cm-1的羟基谱线由尖逐渐变宽,出现弥散光谱,由此推测出苯酚通过羟基上的氢键发生缔合。综合所得数据提出了活性炭吸附苯酚的模型,并圆满解释了相关的实验现象。研究了以硫酸钠为电解质的酸性溶液中活性炭阳极的电化学行为,提出了苯酚降解的机理。三维电极降解苯酚由直接电解和间接降解两种作用协同完成,其中间接电解起主要作用。实验测定了弛豫时间常数及极化电阻,吸附引起的等效电阻是电荷转移电阻的5.5倍,吸附引起的弛豫时间常数是双电层充电弛豫时间常数的104倍,表明羟基自由基·OH在活性炭界面上吸附具有很强的化学键。氧在活性炭阳极上析出过程中生成的羟基自由基·OH是一中间产物,并吸附在活性炭阳极的界面上,其与吸附在活性炭上的苯酚形成微电池。通过微电池的反应,苯酚首先被降解成邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚等中间产物,进而又被矿化为CO2和H2O。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 苯酚废水
• 1.2.1 苯酚废水的概述
• 1.2.2 苯酚废水的处理现状
• 1.3 三维电极的研究概况
• 1.3.1 三维电极特点
• 1.3.2 三维电极的分类
• 1.3.3 三维电极的工作机理
• 1.3.4 三维电极的应用研究进展
• 1.4 粒子电极再生的研究现状
• 1.4.1 热再生法
• 1.4.2 生物再生法
• 1.4.3 化学再生法
• 1.4.4 电化学再生
• 1.4.5 其他再生方法
• 1.5 本课题的研究目的及内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 三维电极降解含酚废水的工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验水样
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.3 实验仪器及设备
• 2.2.4 实验过程
• 2.2.5 分析方法
• 2.3 各种因素对有机物降解效果的影响
• 2.3.1 电解质的选择
• 2.3.2 电解时间对TOC去除效果的影响
• 2.3.3 电流强度对TOC去除效果的影响
• 2.3.4 pH值对TOC去除效果的影响
• 2.3.5 进水温度对TOC去除效果的影响
• 2.3.6 NaCl投加量对电解过程TOC去除效果的影响
• 2.3.7 进水速度对TOC去除效果的影响
• 2.4 正交试验设计
• 2.4.1 正交试验的设计
• 2.4.2 极差分析结果与讨论
• 2.5 小结
• 第三章 三维粒子电极活化的工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验水样
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 实验仪器及设备
• 3.2.4 实验过程
• 3.2.5 分析方法
• 3.3 各种因素对有机物降解效果的影响
• 3.3.1 碱洗单因素对TOC去除率的影响
• 3.3.2 电解活化单因素TOC去除率的影响
• 3.3.3 单一活化与联合活化效果对比
• 3.4 小结
• 第四章 粒子电极活性炭吸附苯酚的性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 苯酚废水
• 4.2.2 实验试剂
• 4.2.3 实验仪器
• 4.2.4 实验过程
• 4.2.5 分析方法
• 4.3 活性炭吸附苯酚的动力学分析
• 4.4 吸附模型的推断
• 4.4.1 活性炭吸附苯酚吸附位的测定
• 4.4.2 苯酚在活性炭上的吸附形态
• 4.5 吸附模型对实验现象的解释
• 4.5.1 温度对活性炭吸附苯酚的影响
• 4.5.2 初始pH值对活性炭吸附苯酚的影响
• 4.6 小结
• 第五章 三维电极电解生成羟基自由基的机理研究及降解过程中间产物分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 实验水样
• 5.2.2 实验试剂
• 5.2.3 实验仪器
• 5.2.4 实验过程
• 5.3 自由羟基·OH氧化分解苯酚
• 5.4 自由羟基·OH生成及活性炭吸附
• 5.4.1 线性电势扫描实验
• 5.4.2 交流阻抗实验
• 5.5 实验结果讨论
• 5.5.1 电化学反应历程确定
• 5.5.2 控制步骤确定
• 5.5.3 弛豫时间常数及极化电阻测定
• 5.6 苯酚在阳极直接氧化
• 5.7 微电池效应对三维电极降解苯酚产生影响的原因
• 5.7.1 温度影响苯酚降解的原因
• 5.7.2 pH值影响苯酚降解的原因
• 5.7.3 电解进水速度影响苯酚降解的原因
• 5.7.4 电流强度影响苯酚降解的原因
• 5.8 降解中间产物测定的实验结果
• 5.9 降解途径结果讨论
• 5.10 结论
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要成果