光電催化及吸附-電化學(xué)聯(lián)合技術(shù)處理難降解廢水研究.pdf

1、含酚廢水和印染廢水等難降解有機(jī)廢水的治理一直是廢水處理中的難題,也是當(dāng)今水處理領(lǐng)域極其活躍的研究課題。電化學(xué)技術(shù)作為高級(jí)氧化技術(shù)之一,具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于控制、反應(yīng)溫和、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),具有良好的前景。雖然電化學(xué)技術(shù)處理難降解有機(jī)廢水研究已取得一定進(jìn)展,但是對(duì)于電化學(xué)氧化與光催化、吸附等技術(shù)耦合處理難降解有機(jī)廢水的研究較少。
　　 本文采用直接陰極電沉積和陽(yáng)極氧化法分別制備Fe2O3、CuO、NiO復(fù)合TiO2納米管(ZiO2-

2、NTs)光電催化陽(yáng)極,并對(duì)其表面形貌及光電特性進(jìn)行了表征。以復(fù)合電極為陽(yáng)極,重點(diǎn)考察了光電催化技術(shù)處理含酚廢水和甲基橙廢水的影響因素和反應(yīng)機(jī)理,并對(duì)苯酚廢水資源化進(jìn)行了初步研究。為進(jìn)一步降低成本,以活性炭纖維為電極,采用吸附一電催化聯(lián)合技術(shù)處理含酚廢水,對(duì)活性炭纖維吸附特性進(jìn)行了研究,建立了吸附一電催化技術(shù)下苯酚廢水CODCr降解的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。研究取得了以下成果:
　　 (1)成功制備了Fe2O3改性TiO2-NTs(Fe2

3、O3/TiO2-NTs)復(fù)合電極、CuO改性TiO2-NTs(CuO/TiO2-NTs)復(fù)合電極和NiO改性TiO2-NTs(NiO/TiO2-NTs)復(fù)合電極,將純TiO2納米管的光響應(yīng)區(qū)間拓寬到可見(jiàn)光區(qū)域。以復(fù)合電極為陽(yáng)極,采用光電催化技術(shù)處理苯酚廢水,考察了電極材料、氧化電壓、溶液初始pH值、光源、氧氣等因素對(duì)苯酚去除率和苯醌收率的影響。在以Fe2O3/TiO2-NTs為陽(yáng)極,銅片為陰極,碘鎢燈為光源,pH=5,氧化電壓為10V時(shí)

4、,苯酚去除率達(dá)到99％。光電催化技術(shù)和光催化、電催化技術(shù)對(duì)苯酚廢水的降解結(jié)果表明,光電催化技術(shù)的苯酚去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電催化技術(shù)和光催化技術(shù)?？疾毂椒庸怆姶呋到鈾C(jī)理發(fā)現(xiàn),光電催化過(guò)程中產(chǎn)生的羥基自由基和空穴首先與苯環(huán)發(fā)生加成反應(yīng),產(chǎn)生苯醌和對(duì)苯二酚,然后苯環(huán)進(jìn)一步被氧化開(kāi)環(huán),產(chǎn)生順丁烯二酸;順丁烯二酸被進(jìn)一步氧化,生成更小分子的有機(jī)物或被礦化。研究了苯酚光電催化選擇性氧化為苯醌的實(shí)驗(yàn)條件,結(jié)果表明苯醌收率最大的條件是CuO/TiO2-NT

5、s為陽(yáng)極,銅片為陰極,紫外光為光源,溶液pH=5,氧化電壓為15V;苯酚選擇性最大的條件是CuO/TiO2-NTs為陽(yáng)極,銅片為陰極,無(wú)光照,溶液pH=5,氧化電壓為15V。
　　 (2)以Fe2O3/TiO2-NTs、CuO/TiO2-NTs和NiO/TiO2-NTs復(fù)合電極為陽(yáng)極,光電催化處理甲基橙廢水,考察了電解質(zhì)濃度、溶液初始pH值、氧化電壓、光源、氧氣等因素對(duì)甲基橙的脫色的影響。增加電解質(zhì)濃度,可增加甲基橙脫色率。在p

6、H=3時(shí),甲基橙的脫色率最大。15V時(shí),甲基橙脫色率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于10V?？梢?jiàn)光條件下光電催化有利于甲基橙的脫色。對(duì)比光電催化和電催化技術(shù),光電催化技術(shù)下的甲基橙脫色率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電催化技術(shù)。對(duì)甲基橙溶液進(jìn)行紫外可見(jiàn)吸收光譜掃描發(fā)現(xiàn),反應(yīng)時(shí)偶氮鍵與苯環(huán)所形成的共軛體系首先受到破壞,使溶液顏色褪去;在紫外區(qū)有吸收的一些基團(tuán)被破壞的速度較慢。分析了甲基橙光電催化脫色機(jī)理,酸性條件下,甲基橙以偶氮式和醌式兩種形態(tài)存在。當(dāng)以偶氮式結(jié)構(gòu)存在時(shí),苯環(huán)首先與羥

7、基自由基發(fā)生加成反應(yīng),然后與H+發(fā)生反應(yīng),將甲基橙分子分解成兩個(gè)小分子,小分子還帶有發(fā)色基團(tuán)。小分子再與羥基自由基發(fā)生奪氫反應(yīng),破壞發(fā)色基團(tuán);而以醌式結(jié)構(gòu)存在時(shí),與苯環(huán)相連的碳氮雙鍵與H+發(fā)生加成反應(yīng),破壞發(fā)色團(tuán),使甲基橙脫色。
　　 (3)研究了吸附-電化學(xué)聯(lián)合技術(shù)對(duì)苯酚廢水的處理效果,結(jié)果表明吸附一電催化聯(lián)合作用可以顯著提高苯酚的去除率。電流強(qiáng)度、電解質(zhì)種類對(duì)苯酚廢水CODCr去除率有一定影響。電流強(qiáng)度為0.6 A時(shí),COD

8、Cr去除率和電流效率都最高,能量消耗低。以NaCl為電解質(zhì)時(shí)苯酚廢水的CODCr去除率明顯高于以Na2SO4為電解質(zhì)時(shí)的去除率。在以活性炭纖維為陰極的吸附電催化中,通入氧氣有利于苯酚的降解。pH值為3時(shí)苯酚CODCr去除率最高。溶液初始濃度越低,CODCr的去除率越高。對(duì)活性炭纖維進(jìn)行微波改性,有利于苯酚去除?；钚蕴坷w維的等溫吸附曲線符合Freundlich等溫式。建立了吸附-電催化聯(lián)合作用下苯酚廢水CODCr降解的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,較好