电解制H2O2/·OH的预氧化净水技术研究

论文摘要

预氯化,即在原水中加入氯进行预氧化,是目前国内自来水厂最常用的预氧化技术,该方法具有成本低的优点,但其在消毒过程中会产生种类较多、有致癌性的消毒副产物。从氧化能力来看,中性条件下,相同浓度的H202和氯氧化性相当,且其还原产物为水,是理想的水质氧化剂。现场在线电化学制备（电生）H202技术可解决其运输安全和成本的问题。现有电生H202技术需在酸性或碱性电解液中、加入隔膜的条件下进行,成本较高。本文提出一种基于电生H202装置的饮用水预氧化技术,原水中不加入任何化学试剂,流经自制的无隔膜电解槽,其中的臭味、细菌总数、浊度等水质指标即可有显著的改善。本文自行研制了适合于电生H202的电化学装置,该装置无隔膜,电极片插槽以和电解槽底座成60°的倾角设计,这样可以充分利用阳极析出的氧气,并延长从电解槽底部曝出的氧气在阴极上的停留时间,提高氧气的利用率,有利于H202的生成。本文系统研究了阴极材料材质、电流密度、流量和通气量对电生H202产率的影响,发现以石墨毡为阴极材料,在电流密度为2mA·cm-2,通气量为0.4m3·h-1,流量为100mL·min-1的条件下,电解自来水在线生成H202浓度为12.3mg·L-1,电流效率为36.4%;利用该装置可实现消毒副产物前驱体腐殖酸的电化学降解,在其降解过程中,·OH起到了重要的作用。在对比类Fenton反应催化剂的研究中发现,铁硅粉体在中性条件下也能催化H2O2分解产生一定强度的·OH,故可用于原水的预氧化实验中。利用该电解装置对北京市三家店水库水进行电化学预氧化实验发现：电化学预氧化在除浊、除味、杀菌和降低UV254等方面有着较好的效果,和预氯化相比,电化学预氧化具有更好的除浊能力,且出水氯仿含量远低于预氯化；电化学直接预氧化和电解-铁硅组合预氧化相比,后者表现出了更好的助凝作用,可用于水质较差的原水处理中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 饮用水预氧化
• 1.1.1 饮用水预处理技术
• 1.1.2 化学预氧化方法概述
• 1.2 电生过氧化氢技术在水处理中的应用
• 1.2.1 过氧化氢的电化学制备
• 1.2.3 电生过氧化氢的净水技术研究进展
• 1.3 研究主要内容和意义
• 1.3.1 研究的目的和意义
• 1.3.2 研究的主要内容
• 1.4 研究的创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 化学试剂、材料和实验仪器
• 2.1.1 化学试剂和材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 过氧化氢的电化学合成
• 2.2.2 腐殖酸的电化学降解
• 2.2.3 羟基自由基的生成
• 2.2.4 电Fenton降解苯甲酸
• 2.2.5 原水的电化学预氧化
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 过氧化氢的测定方法
• 2.3.2 羟基自由基的测定方法
• 2.3.3 苯甲酸的测定方法
• 2.3.4 腐殖酸的测定方法
• 2.3.5 原水水质的测定
• 第三章 电化学合成过氧化氢
• 3.1 电生过氧化氢阴极材料的选择
• 3.1.1 泡沫镍电极电生过氧化氢的研究
• 3.1.2 泡沫铜电极电生过氧化氢的研究
• 3.1.3 石墨电极电生过氧化氢的研究
• 3.1.4 石墨毡电极电生过氧化氢的研究
• 3.1.5 钛钌电极电生过氧化氢的研究
• 3.1.6 五种阴极材料电生过氧化氢性能的比较
• 3.2 恒流电生过氧化氢的放大实验
• 3.2.1 外加电解质时电生过氧化氢的研究
• 3.2.2 不加电解质时在线合成过氧化氢的研究
• 3.3 电生过氧化氢对腐殖酸的降解
• 3.3.1 恒流降解腐殖酸
• 3.3.2 脉冲降解腐殖酸
• 3.3.3 恒流和脉冲降解腐殖酸的能耗及效果对比
• 3.3.4 腐殖酸的降解机理
• 3.4 小结
• 第四章 羟基自由基的产生及条件优化
• 4.1 羟基自由基生成条件的探索
• 4.1.1 直接电解过程中羟基自由基的生成
• 4.1.2 均相Fenton反应中羟基自由基的生成
• 4.1.3 非均相Fenton反应中羟基自由基的生成
• 4.1.4 电Fenton在中性条件下的改进
• 4.2 电Fenton降解苯甲酸
• 4.2.1 常规电Fenton降解苯甲酸
• 4.2.2 中性环境下苯甲酸降解的研究
• 4.2.3 苯甲酸降解机理的探讨
• 4.3 小结
• 第五章 三家店水库原水的电化学预氧化研究
• 5.1 电化学预氧化及其影响因素研究
• 5.1.1 直接电解预氧化
• 5.1.2 电解-铁硅组合预氧化
• 5.1.3 电化学预氧化与预氯化的对比
• 5.2 铁硅在预氧化过程中的作用
• 5.2.1 助凝
• 5.2.2 消毒副产物的去除
• 5.3 经济指标
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 附录