渗流式纳米电极电化学反应器处理染料废水研究

论文摘要

电化学方法处理有机物由于其没有二次污染和易于控制等优点受到广泛关注,但是由于传质、副反应以及电极消耗等问题,使其运行费用较高。其中传质问题在很多情况下是电化学反应的主要限制因素。目前,对传质的改进办法大都是通过机械搅拌和电极转动等。这些方法虽然对改进溶液间的物质传递有较大的改进,但是对电极表面的传质速率的改进却十分有限。本课题设计了渗流式纳米电极电化学反应器,通过污染物通过电极时与电极之间的相互作用减小电极表面的传质阻力,从而提高传质效率。本论文以两种模拟染料废水为处理对象对渗流式反应器进行了考察,结果证明通过渗流式的方法确实能较大地提高电化学反应的速率和效率,降低能耗,对电化学方法的广泛应用有很好的借鉴作用。本论文的主要主要研究工作可以归纳如下:1.制备了渗流式纳米电极电化学反应器,使反应溶液从电极间穿过,利用穿过时与电极的相互作用减小电极表面的传质阻力。同时,以碳纳米管结合活性炭纤维作为电极,利用其巨大的比表面积和高的催化活性。2.使用渗流式电化学反应器处理活性艳红X-3B模拟染料废水。当电压为10V,初始pH为中性时,加入3g/L的Na2SO4时,在100 min内X-3B的脱色率达到90%以上,COD去除率达到57.5%。同时,该方法在较大浓度范围（0-200 mg/L）内对X-3B均能达到较好的去除。紫外扫描测定发现X-3B得到了较彻底的降解。在最优实验条件下计算得传质系数在60 min时达到最大值,为1.87×10-3 cm/s。与传统电化学方法进行了对比,传质系数有很大的提高。同时,45 min后反应达到稳定的电流效率,为33.06%,单位能耗为101.34 kWh/kg COD。3.渗流式电化学反应器处理活性艳蓝X-BR模拟染料废水。当电压为8V,初始pH为2,加入1 g/L的Na2SO4时装置对活性艳蓝的处理效果最佳,脱色率可以达到90%以上,90 min后COD去除率达到51%。在0-500 mg/L浓度范围内的活性艳蓝均能达到很好的去除效率。紫外扫描测试证明,染料分子得到较彻底的破坏。同时,计算得传质系数在15 min时达到最大值1.70×10-3 cm/s,电流效率由15 min时的46.3%降至90 min后的29.3%,同时单位能耗也由57.9 kWh/kg COD提高到91.3 kWh/kg COD。4.以处理活性艳红为例,对渗流式电化学反应器的电化学过程进行了反应动力学研究,结果显示该反应过程较好的遵循一级反应动力学。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电化学处理技术
• 1.1.1 电化学氧化法
• 1.1.2 电化学还原法
• 1.1.3 电吸附法
• 1.1.4 微电解法
• 1.1.5 电凝聚法
• 1.1.6 电气浮法
• 1.1.7 电渗析
• 1.1.8 电化学衍生技术
• 1.2 电化学处理技术的缺陷
• 1.2.1 传质问题
• 1.2.2 电极问题
• 1.2.3 副反应的发生
• 1.3 电化学方法的改进
• 1.3.1 电极的改进
• 1.3.2 电化学反应器的研究
• 1.3.3 电解方式的改进和与其他技术的耦合
• 1.4 碳纳米管
• 1.5 本课题的研究目标、内容和技术路线
• 第二章 实验仪器和实验方法
• 2.1 实验仪器
• 2.2 实验试剂与材料
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 色度的测定及工作曲线的建立
• 2.3.2 COD 的测定
• 2.3.3 色度和COD 去除率
• 2.3.4 电流效率和能量消耗
• 2.3.5 传质系数
• 第三章 渗流式纳米电极电化学反应器处理模拟染料废水
• 3.1 处理活性艳红X-38
• 3.1.1 反应器装置
• 3.1.2 活性艳红X-38
• 3.1.3 实验条件对处理效率的影响
• 3.1.4 不同电解时间的活性艳红X-38 的紫外可见光谱
• 3.1.5 重现性和稳定性
• 3.2 处理活性艳蓝X-BR
• 3.2.1 反应器装置
• 3.2.2 活性艳蓝X-BR
• 3.2.3 实验条件对处理效率的影响
• 3.2.4 不同电解时间的活性艳蓝X-BR 的紫外可见光谱
• 第四章 传质系数和电流效率的计算
• 4.1 传质系数的计算
• 4.1.1 处理活性艳红X-38
• 4.1.2 处理活性艳蓝X-BR
• 4.1.3 机理分析
• 4.2 电流效率的计算
• 4.2.1 处理活性艳红X-38 模拟染料废水
• 4.2.2 处理活性艳蓝X-BR 模拟染料废水
• 第五章 反应动力学
• 5.1 电压的影响
• 5.2 初始pH 值的影响
• 5.3 电解质浓度的影响
• 5.4 活性艳红X-38 初始浓度的影响
• 第六章 结论与建议
• 6.1 本论文的主要结论
• 6.2 本论文的创新点
• 6.3 存在的问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文