电增强活性炭纤维吸附水中部分有机物的研究

论文摘要

活性炭广泛应用于分离提纯各种化工产品、供水净化和废水处理中。然而,活性炭吸附的高成本限制了其应用的广度和深度。影响吸附工艺操作成本的主要因素包括吸附速度和吸附容量、再生效率和成本。因此,增强活性炭吸附速度和吸附容量、提高再生效率和减少再生成本是降低吸附工艺操作成本有效途径,也是目前国内外研究活性炭吸附的主要内容。本论文采用一种经济有效的电化学方法来增强活性炭纤维的吸附速度和吸附容量,同时该方法还可以与目前认为比较有前景的电化学再生方法形成一体化的吸附/再生循环废水处理工艺。 本论文主要研究了电化学极化活性炭纤维对苯酚、苯胺、间甲酚和酸性橙Ⅱ（AO7）吸附速率和吸附容量的变化,分析了电增强吸附作用机理,建立了电吸附速率方程,并且探索了电增强吸附/再生循环一体化的可行性。 电化学极化能够有效地加速苯酚、苯胺、间甲酚和AO7在活性炭纤维上的吸附速度,各条件下的吸附动力学都符合Lagergren一级吸附动力学模型。碱性条件下,700mV电极化时苯酚的吸附速率常数较开路时增加了71%;苯胺、间甲酚和AO7在600mV极化下的吸附速率常数分别较开路增加了33%、77%和120%。吸附速率的提高主要是由于在电极化作用下吸附亲和力的增强和吸附位点数量的增加。为了反映吸附亲和力的增强和吸附位点数量的增加对吸附速率的影响,在Lagergren吸附速率方程的基础上,建立了电吸附速率方程,该方程对有机污染物（苯酚、苯胺和间甲酚）的电吸附具有良好的预测性能。 电化学极化也能有效地提高活性炭纤维对苯酚、苯胺、间甲酚和AO7的吸附量。各极化条件下的吸附等温线都符合Langmuir和Freundlich吸附等温模型,但前者具有更好的拟合效果。碱性条件下,700mV电极化可以使苯酚在活性炭纤维上的最大吸附量较开路时增加近10倍;600mV极化下,苯胺、间甲酚和AO7的最大吸附量较开路时分别增加了2.04、0.61和1.15倍。电吸附增强主要是由于作用力的增强、结合状态的改变和活性炭纤维表面物理性质的改善所引起,不存在电化学直接氧化或电化学产生的自由基的间接氧化。 物质结构对活性炭纤维的电化学极化吸附作用具有较大的影响。供电子基团的单取代苯,正极化能明显增强其吸附量;但吸电子基团的单取代,正负极化对吸附量的影响较小;供体-共轭桥键-受体型结构的苯衍生物,正负极化都使其吸附速率得到加快。 AO7的电化学增强吸附与再生相结合的实验表明,电增强吸附/再生循环一体化废水处理工艺可以实现。再生电压为-5V,再生效率可以达到90%以上,多次电吸附/再生

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 国内外相关领域研究进展
• 1.1 水环境污染现状
• 1.2 供水净化和废水深度处理回用技术
• 1.2.1 高级氧化技术
• 1.2.2 强化混凝技术
• 1.2.3 生物处理技术
• 1.2.4 膜分离技术
• 1.2.5 吸附技术
• 1.3 吸附理论
• 1.3.1 吸附作用
• 1.3.2 吸附动力学理论
• 1.3.3 吸附热力学理论
• 1.4 活性炭的性质
• 1.4.1 活性炭的物理性质
• 1.4.2 活性炭的化学性质
• 1.4.3 活性炭表面的电性质
• 1.5 活性炭表面性质的改性
• 1.5.1 表面物理性质的改性
• 1.5.2 表面化学性质的改性
• 1.5.3 表面电性质的改性
• 1.6 电吸附技术及其应用
• 1.6.1 电吸附原理
• 1.6.2 电吸附电极材料
• 1.6.3 电吸附技术的应用
• 1.7 活性炭再生方法
• 1.8 活性炭吸附存在的问题及本论文的研究思路
• 1.9 研究背景、目的、意义和内容
• 1.9.1 研究背景和目的
• 1.9.2 研究内容和意义
• 2 电化学增强活性炭纤维吸附碱性条件下苯酚的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品与仪器
• 2.2.2 实验方法与步骤
• 2.2.3 测试分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 苯酚的特征吸收峰及其标准曲线的确定
• 2.3.2 电吸附电位窗口的确定
• 2.3.3 不同条件对电增强吸附动力学的影响
• 2.3.4 反向极化的脱附能力
• 2.3.5 电吸附电流效率分析
• 2.3.6 电增强吸附等温线
• 2.3.7 电增强吸附的自由能变、焓变和熵变
• 2.4 小结
• 3 电化学增强活性炭纤维吸附苯胺的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品与仪器
• 3.2.2 测试分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 特征吸收峰及其标准曲线的确定
• 3.3.2 苯胺电吸附电位窗口的确定
• 3.3.3 苯胺电吸附动力学研究
• 3.3.4 苯胺在活性炭纤维电极上结合状态的推测
• 3.3.5 电吸附前后活性炭纤维表面形貌分析
• 3.3.6 电吸附前后活性炭纤维表面红外光谱分析
• 3.3.7 苯胺电吸附热力学影响因素的考察
• 3.4 小结
• 4 电极化作用下活性炭纤维对间甲酚的吸附及其表面性质的表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品与仪器
• 4.2.2 实验方法与步骤
• 4.2.3 分析测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 特征吸收峰及其标准曲线的确定
• 4.3.2 间甲酚电吸附电位窗口的确定
• 4.3.3 间甲酚的电吸附动力学
• 4.3.4 间甲酚的吸附等温线
• 4.3.5 电化学极化下活性炭纤维主要性质的考察
• 4.4 小结
• 5 不同结构有机污染物电吸附及电吸附速率方程的建立
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验药品
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 各种有机污染物电吸附电位窗口的确定
• 5.3.2 污染物结构对吸附动力学的影响
• 5.3.3 电吸附速率方程的建立
• 5.3.4 电吸附速率方程的验证
• 5.3.5 电吸附速率常数分析
• 5.4 小结
• 6 电化学增强酸性橙Ⅱ染料的吸附及其再生研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验药品与仪器
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 酸性橙Ⅱ（AO7）的基本性质及标准曲线
• 6.3.2 AO7的电化学极化增强吸附
• 6.3.3 电吸附饱和后活性炭纤维的再生
• 6.4 小结
• 7 结论、创新点与建议
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 存在的不足与建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历
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