多核复合絮凝剂及其组合技术的理论与应用研究

论文摘要

随着水污染问题日益严重，传统混凝或者化学氧化技术已经不能适应各种难降解有机废水的处理。虽然一些深度处理技术具有较好的处理效果，但由于运行费用及实际操作等方面的原因也很难得到广泛应用。为了充分发挥常规工艺的除污染物能力，在优化提高传统水处理技术效能的基础上，将具有一定应用基础和潜力的新技术与传统成熟水处理技术进行有机组合来有针对性地处理各种难降解有机废水，是较为切合实际的一种污染物去除方法，对于某些难处理工业废水和区域性难处理污水的治理具有重要的现实意义。在合成新型多核复合无机高分子絮凝剂并提高其混凝效能的基础上，本论文试图将传统混凝技术与已经发展较为成熟并得到广泛应用的Fenton氧化技术，以及新型微波污水处理技术有机结合起来用于含油废水、印染废水、染料废水和垃圾渗滤液等的处理，这不仅拓宽了微波能的应用领域，而且也为其它难降解有机污染物的处理提供了借鉴。在絮凝剂制备及混凝性能研究方面，论文以几种相对简单絮凝剂的制备经验和聚硅酸铝铁（PFASSi）的制备方法为基础，通过引入助剂C和D合成了一种新型多核复合无机高分子絮凝剂PMSi，其中助剂C具有氧化络合功能，助剂D既有增稠作用还有絮凝助沉功能，使得PMSi既具有较强的脱色和降解有机物的能力，而且生成的絮体大而密实，沉降速度很快。PMSi的制备工艺条件为：SiO2％=2.2％，Al/Fe/Si（摩尔比）=10：5：1，碱化度B=2.0。在处理印染废水和垃圾渗滤液时PMSi的投加剂量最少（约为二元絮凝剂用量的一半），对水样pH值的要求也更低（最佳pH值均为7.0左右）。在微波强化混凝和Fenton氧化组合工艺研究方面，对微波辅助强化混凝工艺而言，处理含油废水时采用先微波预处理再混凝处理的效果较好，而处理染料废水或垃圾渗滤液时采用微波辐射与混凝同时处理的效果较好；对微波辅助强化氧化工艺而言，无论是含油废水、染料废水还是垃圾渗滤液，采用先微波辐射再Fenton氧化处理均可以获得较好的效果，特别适合于有机物的降解以及溶液色度的脱除。含油废水、染料废水和垃圾渗滤液经微波强化Fenton氧化耦合混凝法处理后，不仅各项污染指标较低，而且其可生化性大大提高。微波的引入不仅使得絮凝剂PMSi、氧化剂H2O2以及催化剂Fe2+的用量都有较大程度的减少，而且降低了Fenton氧化和混凝沉降的时间，对于该工艺的推广应用具有重要的现实意义。均相成核讨论表明，多核复合无机高分子絮凝剂PMSi具有更强的均相成核能力，大量晶核的形成诱导了絮凝体沉淀的形成，使得絮体颗粒迅速成长，其结果必然是絮体颗粒密实、体积大且沉降速度快。助剂C和D的引入使得PMSi的有效组分参与了Al、Fe两相的共聚，形成多相共聚产物，这些共聚产物的存在使Fe转移到微晶相，大大延缓了酸性溶液中β-FeOOH沉淀的生成，保持了高浓度PMSi产品的稳定性能。微波强化组合技术对苯酚降解产物的HPLC分析以及含油废水微波强化处理的GC-MS分析结果均表明，微波对混凝过程的强化作用主要表现在提高破乳速度和破乳效果、提高混凝沉降速度和除浊效果，以及通过对有机污染物的表面性质（如表面电性、疏水性能……）的改变来强化混凝过程并促进部分有机物的去除，但微波强化混凝过程对有机物的直接降解作用并不明显；微波引入Fenton氧化过程使得有机物矿化程度大大增强，部分未能彻底降解的有机物则被分解为多种中间产物，其浓度大幅降低；微波强化Fenton氧化耦合混凝组合工艺则极大地促进了有机物降解，其稳定结构被破坏，分解成结构更简单成分，甚至被矿化。微波强化混凝及Fenton氧化过程的协同效应研究表明，微波强化Fenton氧化耦合混凝组合工艺处理有机废水是微波辐射、Fenton氧化与混凝过程三者之间协同作用的结果。微波的非热效应探讨表明，高频微波电磁场能使液相中的极性分子产生高速旋转而产生热效应，改变了体系的热力学函数；而微波的非热效应主要体现在电磁场对物质内部结构的特殊作用，通过极化作用、氢键变形、活化能改变等几种“场”效应来降低分子的化学键强度，从而强化自由基对有机物的氧化降解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 混凝技术在水处理中的作用及应用现状
• 1.1.1 混凝在水处理中的地位及作用
• 1.1.2 混凝技术当前应用现状
• 1.2 无机高分子絮凝剂的国内外研究进展
• 1.2.1 无机高分子絮凝剂的分类
• 1.2.2 无机高分子阳离子型絮凝剂
• 1.2.3 无机高分子阴离子型絮凝剂
• 1.2.4 无机高分子阳离子复合型絮凝剂
• 1.2.5 聚硅酸金属盐复合型高分子絮凝剂
• 1.2.6 无机高分子絮凝剂的发展趋势
• 1.3 强化混凝技术的研究现状
• 1.3.1 高级氧化技术的研究进展
• 1.3.2 微波技术在水处理中的应用研究进展
• 1.4 研究的目的、意义和内容
• 1.4.1 立题背景及意义
• 1.4.2 立题思路及主要研究内容
• 第二章 试验研究及测试方法
• 2.1 试验仪器与试剂
• 2.2 试验装置
• 2.3 试验研究方法
• 2.4 试验分析方法
• 第三章 多核复合型系列絮凝剂的制备
• 3.1 PAFCS的制备
• 3.1.1 制备原理
• 3.1.2 制备方法
• 3.1.3 制备条件对 PAFCS混凝性能的影响
• 3.2 PASiC的制备
• 3.2.1 制备原理
• 3.2.2 制备方法
• 3.2.3 制备条件对 PASiC混凝性能的影响
• 3.3 PFASSi的制备
• 3.3.1 制备原理
• 3.3.2 制备方法
• 3.3.3 制备条件对 PFASSi混凝性能的影响
• 3.4 多核复合絮凝剂 PMSi的制备
• 3.4.1 制备原理
• 3.4.2 制备方法
• 3.4.3 制备条件对 PMSi混凝性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 多核复合型系列絮凝剂净水试验研究
• 4.1 含油废水混凝处理试验研究
• 4.1.1 处理含油废水的目的和意义
• 4.1.2 含油废水的来源及性质
• 4.1.3 含油废水处理絮凝剂的选择
• 4.1.4 含油废水混凝试验结果与分析
• 4.2 印染废水的混凝试验研究
• 4.2.1 处理印染废水和染料废水的目的和意义
• 4.2.2 印染废水的来源及性质
• 4.2.3 印染废水混凝试验结果与分析
• 4.2.4 印染废水处理絮凝剂的选择
• 4.3 垃圾渗滤液的预处理试验研究
• 4.3.1 处理垃圾渗滤液的目的和意义
• 4.3.2 垃圾渗滤液的来源及性质
• 4.3.3 垃圾渗滤液混凝预处理试验结果与分析
• 4.3.4 垃圾渗滤液预处理絮凝剂的选择
• 4.4 本章小结
• 第五章 Fenton氧化技术耦合混凝组合工艺的应用研究
• 5.1 Fenton试剂的作用机理
• 5.2 单一 Fenton处理各种废水研究
• 5.2.1 Fenton氧化处理含油废水
• 5.2.2 Fenton氧化处理染料废水
• 5.2.3 Fenton氧化处理垃圾渗滤液
• 5.3 Fenton氧化技术耦合混凝组合工艺的应用研究
• 5.3.1 Fenton氧化耦合混凝处理染料废水试验研究
• 2O₂用量对耦合混凝效果的影响'>5.3.1.1 H₂O₂用量对耦合混凝效果的影响
• 2+用量对耦合混凝效果的影响'>5.3.1.2 Fe²⁺用量对耦合混凝效果的影响
• 5.3.1.3 絮凝剂用量对藕合混凝效果的影响
• 5.3.2 Fenton氧化耦合混凝处理垃圾渗滤液试验研究
• 2O₂用量对耦合混凝效果的影响'>5.3.2.1 H₂O₂用量对耦合混凝效果的影响
• 2+用量对耦合混凝效果的影响'>5.3.2.2 Fe²⁺用量对耦合混凝效果的影响
• 5.3.2.3 絮凝剂用量对耦合混凝效果的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 微波强化 Fenton氧化耦合混凝组合工艺的优化与应用研究
• 6.1 微波作用机理和特点
• 6.1.1 微波作用的机理
• 6.1.2 微波作用的特点
• 6.2 微波强化 Fenton氧化耦合混凝处理含油废水试验研究
• 6.2.1 微波辅助强化混凝处理含油废水研究
• 6.2.2 微波强化 Fenton氧化处理含油废水研究
• 6.2.3 微波强化 Fenton氧化耦合混凝处理含油废水
• 6.3 微波强化 Fenton氧化耦合混凝处理染料废水试验研究
• 6.3.1 微波辅助强化混凝处理染料废水工艺条件选择
• 6.3.2 微波强化 Fenton氧化处理染料废水研究
• 6.3.3 微波辐射、Fenton氧化以及混凝组合方案选择
• 6.4 微波强化 Fenton氧化耦合混凝处理垃圾渗滤液试验研究
• 6.4.1 微波辅助强化混凝处理垃圾渗滤液工艺条件选择
• 6.4.2 微波强化 Fenton氧化处理垃圾渗滤液研究
• 6.4.3 微波辐射、Fenton氧化以及混凝组合方案选择
• 6.5 技术经济评估及工业应用前景初探
• 6.6 本章小结
• 第七章 多核复合絮凝剂及其组合技术净水机理研究
• 7.1 无机高分子絮凝剂作用机理之理论基础
• 7.1.1 双电层理论
• 7.1.2 絮凝剂处理废水的作用机制
• 7.2 多核复合絮凝剂净水机理探讨
• 7.2.1 溶液化学研究
• 7.2.2 多核絮凝剂混凝机理讨论
• 7.3 微波强化 Fenton氧化耦合混凝组合工艺净水机理
• 7.3.1 组合技术降解苯酚 HPLC分析
• 7.3.2 微波辐射辅助强化混凝作用
• 7.3.3 微波辐射强化氧化作用
• 7.3.4 微波、Fenton氧化以及混凝之间的协同效应
• 7.3.4.1 组合技术处理含油废水GC-MS分析
• 7.3.4.2 微波强化混凝及 Fenton氧化过程的协同效应
• 7.3.5 微波强化氧化耦合混凝降解有机物可能途径
• 7.3.6 微波非热效应探讨
• 7.4 小结
• 第八章 结论、建议与创新点
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 8.3 创新点和特色之处
• 致谢
• 参考文献
• 附录:攻读博士学位期间工作成绩