改性铁碳为催化剂的非均相电芬顿工艺研究
电芬顿(electro-Fenton)技术作为一种高效、环境友好的电化学高级氧化技术，近些年发展快速。但以铁盐为均相催化剂的常规电芬顿体系存在一系列缺陷，如pH适用范围窄、铁离子浓度高且易失活、铁泥的大量产生等，因此探索更适合于实际应用的非均相芬顿催化剂成为该领域的研究热点。 本研究以廉价的工业铁碳填料作为催化剂，采用聚四氟乙烯(PTFE)对其进行表面改性，以实现近中性条件下污染物处理，并克服铁碳铁浸出率高、表面容易结垢和大量铁泥产生等缺陷，并将其应用到以空气扩散电极作为阴极的电芬顿体系中处理2，4-二氯酚。另外，为了更适应实际应用，本研究构建了电芬顿连续流反应器，考察了运行时各工艺参数对柠檬黄脱色、TOC去除的影响。主要研究结论如下: 1.制备的空气扩散电极，在中性的0.05 M无水硫酸钠电解质中，空气曝气量0.4 L/min，电流强度100 mA的条件下，120 min后其H2O2的产量可达到517mg/L，且性能稳定，电流效率可保持在60％以上。 2.改性后铁碳SEM显示改性后的铁碳表面形成了一层纤维高分子膜。XRD显示铁碳中含有单质铁、四氧化三铁、二氧化硅等。利用空气扩散电极作为阴极，改性Fe-C6 g/L，电流强度100 mA，pH6.7，150 mL浓度为120 mg/L的2，4-二氯酚情况下，改性铁碳展现出良好的非均相电芬顿催化效果，120 min后，超过95％的二氯酚和23％的TOC被去除。同样条件下15次连续实验表明，2，4-二氯酚降解率近乎100％，TOC去除率在23.2％到48.8％之间。铁离子浸出相对较低。综合考虑催化效果、寿命、价格等因素，改性铁碳适合应用到Fenton处理废水。动力学研究表明，在中性条件下，2，4-二氯酚的降解符合两段拟一级动力学，第一段主要为阳极氧化阶段，第二阶段主要为电芬顿阶段。通过GC-MS检测到的芳环中间产物有3，5-二氯儿茶酚、4，6-二氯间苯二酚和2-氯代对苯二酚。通过离子色谱测到了甲酸、乙酸、草酸和CI-。通过对不同体系下H2O2和·OH检测，提出了可能的反应机理。根据GC-MS和离子色谱的分析，提出了2，4-二氯酚降解路径。 3.构建了电芬顿连续流反应器处理柠檬黄。研究发现在污染物流速为20mL/min，H2O2流速为3 mL/min，其柠檬黄的脱色达到80％，TOC去除率也接近30％。且由于流速相对较快，铁碳的结垢问题较轻，只有少量铁离子发生絮凝作用。对初始浓度为60 mg/L的柠檬黄，最佳的脱色和TOC去除条件为pH3，改性铁碳投加量160 g，柠檬黄废水流速为20 mL/min，双氧水发生装置电流强度200 mA，流速3 mL/min。连续流反应器在连续运行12h后展现出良好的处理效果，脱色率在80％左右，TOC去除率几乎全部超过30％，有几组TOC去除率甚至超过40％。此连续流反应器经放大后，可适合实际处理有机废水，并可以克服电化学处理有机污染物必须含有足够电解质的的缺点。进一步研究表明，当电解质浓度大于5.58 g/L时，该工艺间歇流反应器有更高的经济性。
非均相电芬顿工艺;改性铁碳;有机废水;废水处理;连续流反应器;催化剂
南开大学
硕士
环境工程
周明华
2014
中文
X783;X703.5
90
2015-05-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）