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非均相催化臭氧化处理难降解有机废水试验研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 难降解有机废水的来源及特征

1.2 难降解有机废水处理现状

1.2.1 物理法

1.2.2 生物法

1.2.3 化学法

1.3 臭氧氧化处理难降解有机废水现状

1.3.1 臭氧的性质及作用机理

1.3.2 臭氧氧化技术现状

1.4 催化臭氧化处理难降解有机废水现状

1.4.1 均相催化臭氧化技术

1.4.2 非均相催化臭氧化技术

1.5 本课题研究的目的、意义及主要内容

1.5.1 本课题研究的目的及意义

1.5.2 本课题的主要内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 试验用水

2.1.2 试验药品及仪器

2.2 试验装置及操作方法

2.3 催化剂制备及表征

2.3.1 载体预处理

2.3.2 催化剂制备

2.3.3 催化剂表征

2.4 分析测定方法

2.4.1 常规水质指标测定

2.4.2 臭氧浓度测定

2.4.3 酸性红B浓度测定

2.4.4 对苯二甲酸浓度测定

2.4.5 出水中Cu和Mn离子含量测定

第3章 γ-Al2O3负载金属氧化物催化剂的制备及表征

3.1 引言

3.2 催化剂制备条件的确定

3.2.1 浸渍液种类的选择

3.2.2 浸渍液浓度的选择

3.2.3 焙烧温度的选择

3.3 催化剂的表征

3.3.1 XRD表征

3.3.2 SEM表征

3.3.3 FT-IR表征

3.4 催化剂稳定性研究

3.5 本章小结

第4章 Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化酸性红B的效能及机理研究

4.1 引言

4.2 工艺参数考察

4.2.1 不同氧化工艺对酸性红B降解效能比较

4.2.2 臭氧投加速率的影响

4.2.3 初始pH值的影响

4.2.4 催化剂投加量的影响

4.3 降解动力学及机理研究

4.3.1 酸性红B降解动力学

4.3.2 紫外-可见吸收光谱分析

4.3.3 酸性红B降解机理分析

4.4 本章小结

第5章 Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化对苯二甲酸的效能及机理研究

5.1 引言

5.2 工艺参数考察

5.2.1 不同氧化工艺对对苯二甲酸效能比较

5.2.2 臭氧投加速率的影响

5.2.3 初始pH值的影响

5.2.4 催化剂投加量的影响

5.3 降解动力学及机理研究

5.3.1 降解动力学研究

5.3.2 对苯二甲酸降解机理研究

5.4 本章小结

第6章 Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化头孢合成废水二级出水试验研究

6.1 引言

6.2 工艺参数考察

6.2.1 不同氧化工艺对头孢合成废水效能研究

6.2.2 臭氧投加速率的影响

6.2.3 初始pH的影响

6.2.4 催化剂投加量的影响

6.3 废水各指标处理效果

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢

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摘要

难降解有机废水成分复杂、浓度高、可生化性差,在自然环境以及生物体内呈现长期残留性和高毒性,传统的水处理工艺很难达到理想的处理效果。臭氧作为一种强氧化剂,已经在废水处理中得到了广泛的应用。本文以γ-Al2O3作为载体,采用浸渍法制备了新型的Cu-Mn/γ-Al2O3负载型催化剂,并构建了臭氧-Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化体系,以酸性红B模拟废水、对苯二甲酸模拟废水和头孢合成废水二级出水实际废水为研究对象,考察了不同反应条件对废水处理效果的影响,并对催化臭氧化降解酸性红B和对苯二甲酸的反应动力学及机理进行了研究。主要试验结论如下:
  1)研制出一种新型Cu-Mn/γ-Al2O3催化剂,其最佳制备条件是以γ-Al2O3为载体,0.5mol/L的Cu(NO3)2和Mn(NO3)2等体积混合液为浸渍液,浸渍时间12h,焙烧温度550℃,焙烧时间3h。通过XRD、SEM和FTIR表征发现该催化剂的主要活性组分为CuO和CuMn2O4,其与γ-Al2O3之间形成了配位结构的化学键,并高度分散于γ-Al2O3的表面。通过质量法测定可得该催化剂的零电荷点为pH值8.3。以酸性红B的去除率为评价目标,发现该催化剂具有较好的催化性能且稳定性良好。
  2)采用Cu-Mn/γ-Al2O3催化剂开展了催化臭氧化处理酸性红B模拟废水试验研究。结果表明,当酸性红B初始浓度为250mg/L时,在臭氧投加速率4.26mg/min,废水初始pH值8.3,催化剂投加量4g/L的条件下,反应20min,酸性红B去除率可达到99.36%,废水总有机碳(TOC)可由48.50mg/L降至22.13mg/L,TOC去除率达到54.38%,与单纯臭氧氧化工艺相比,酸性红B和TOC去除率分别提高20.43%和35.03%。Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化降解酸性红B反应符合一级动力学,其方程为ln(c0/ct)=0.2498t+0.1370,相关系数R2为0.9974。
  3) Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化对苯二甲酸模拟废水试验结果表明,当对苯二甲酸初始浓度为100mg/L,废水初始TOC为33.15mg/L时,在臭氧投加速率3.18mg/min,废水初始pH值8.3,催化剂投加量3g/L的条件下,反应20min,对苯二甲酸和TOC去除率可分别达到99.26%和57.21%,较单纯臭氧化分别提高23.34%和22.76%。Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化降解对苯二甲酸反应符合一级动力学,其方程为ln(c0/ct)=0.2455t-0.1354,相关系数R2为0.9959。
  4) Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化对头孢合成废水二级出水具有较好的效果,在臭氧投加速率5.64mg/min,废水初始pH值8.3,催化剂投加量5g/L的条件下,反应20min,废水COD、BOD5、氨氮和色度可分别由250mg/L、10mg/L、12mg/L和70倍降至114mg/L、6mg/L、5mg/L和5倍,出水水质满足GB21904-2008《化学合成类制药工业水污染物排放标准》的要求。
  5)通过羟基自由基(·OH)抑制试验,证明Cu-Mn/γ-Al2O3催化剂能够促进臭氧分解产生羟基自由基,提高了臭氧的氧化效率。

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