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可见光/Fe⁰/H₂O₂/柠檬酸体系处理印染废水的研究

作　者: 鲁思伽
导　师: 洪军
学　校: 中国地质大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 可见光零价铁双氧水柠檬酸钠降解
分类号: X791
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

photo-Fenton具有效能高,耗能低,方法简单的特点,是处理难生物降解有机物的有效手段之一。它主要是利用水溶态Fe2+催化H2O2,产生高活性的OH.,达到分解有机污染物的目的。但是,普通photo-Fenton需要在酸性条件下才能有好的降解效率,但实际的废水pH值分布较广,极酸的反应条件需要加入大量的酸,增加反应成本,对环境造成危害；而且,反应结束后,其残留的大量的Fe2+造成了水体的二次污染,以上两个问题限制了photo-Fenton技术的大规模使用。本文从这两个问题出发,构建了可见光/Fe0/H2O2/柠檬酸钠体系。首先利用固态的催化剂Fe0来代替水溶性的铁离子形成非均相photo-Fenton体系,在中性介质中,Fe0在曝气条件下能溶蚀产生的铁离子,但是含量很少,这样既保证该体系在中性介质中也能进行,又减少了铁离子的污染,而且Fe0自身可以降解有机物,这样可以减少体系中所需要的Fe2+从而降低了铁离子的二次污染；其次向体系中添加柠檬酸钠,柠檬酸钠在溶液中能与Fe2+生成柠檬酸铁络合物,这些络合物在中性条件下仍具有较好的溶解性,避免铁离子沉淀,可以拓宽体系适应的pH范围,而且柠檬酸钠具有很好的pH缓冲能力,能够自动调节体系的pH为中性,避免了酸碱的大量。本论文以模拟的罗丹明B染料废水以及实际废水为研究对象,对可见光/Fe0/H2O2/柠檬酸钠体系进行了可行性研究,具体研究内容如下：(1)首先以罗丹明B为底物,通过单因素实验确定了可见光/Fe0/H2O2/柠檬酸钠体系最佳反应条件,并在该条件下利用一元线性方程对罗丹明B降解过程进行动力学模拟,实验结果表明,当体系的初始pH=7.5,罗丹明B的浓度为10mg/L,柠檬酸钠浓度为1.0mol/L,H202浓度为2.94 mmol/L,Fe0用量为13.5 g时,在曝气的条件下,罗丹明B降解的效率最高,反应进行3h后,罗丹明B降解率超过97%,此时COD去除率达到60%,动力学模拟结果表明罗丹明B的降解过程属于一级动力学模型,其反应动力学常数为1.4676；研究还发现,中性条件下,当体系中不存在柠檬酸钠时,罗丹明B的降解率很低,只达到30%左右,而当体系中加入柠檬酸钠后,相同条件下罗丹明B的降解率超过了97%,而且通过对两组柠檬酸钠对比实验中铁离子的变化规律的研究发现,柠檬酸钠的加入大大增加了中性条件下体系中铁离子的浓度,有效地解决了传统photo-Fenton由于避免铁离子沉淀而引起的过酸反应条件的问题,拓宽了体系适宜的pH范围；此外,本文测定了最佳条件下反应过程中铁离子的变化规律,发现体系中的总铁离子的浓度最高为1.0 mg/L左右,远低于普通Fenton体系铁离子的含量,证明了Fe0的使用有效地降低了铁离子的二次污染的程度。(2)通过自由基淬灭实验、对照实验,以及反应过程中的罗丹明B进行紫外—可见光谱扫描研究,初步探讨了可见光/Feo/H2O2/柠檬酸钠体系降解罗丹明B的机理,研究发现罗丹明B降解过程中起主要作用的是OH·。具体反应机理如下：Fe0溶蚀产生了Fe2+,与柠檬酸根离子形成铁的络合物,该络合物与双氧水组合形成了类Fenton体系,生成了OH·。可见光照的引入加速了Fe3＋向催化剂Fe2+转化,从而促进了OH·的生成。生成的OH·首先破坏罗丹明B分子中的发色基团,使其断裂形成一些苯环小分子等中间产物,同时氧化分解产生的中间产物,使溶液的矿化度降低。(3)模拟废水与实际废水还存在着一定的差异,因此本论文对可见光/Fe0/H2O2/柠檬酸钠体系处理实际废水也进行了研究。本文所用实际废水取至古田路污水处理厂的进水口,该污水处理厂专门处理附近印染厂排放的印染废水,废水水样初始COD值为700mg/L,初始pH为10.33。首先,通过单因素法确定了体系降解实际废水的最佳反应条件,结果显示,当体系的pH=7.5,柠檬酸钠浓度为1.0 mmol/L,H2O2浓度为58.8 mmol/L,Fe0用量为25.5 g,在曝气的条件下,体系降解的效率最高,反应进行5h后,废水COD去除率达到97%,反应结束后,废水的pH降到7.53左右。对该条件下的降解动力学进行了分析,发现最佳条件下,可见光/Fe0/H2O2/柠檬酸钠体系催化降解实际过程属于一级动力学模型,其反应动力学常数为0.8423。接着,对反应过程中铁离子的变化规律进行了研究,发现体系中的总铁离子的浓度最高为3.5mg/L左右,远低于普通Fenton体系铁离子的含量,再次证明了Fe0的使用有效地降低了铁离子的二次污染的程度。上述研究表明,可见光/Fe0/H2O2/柠檬酸钠体系可以拓宽体系适应的pH范围,使其在中性条件下仍具有较好的降解效果,而且体系中铁离子的含量要远低于普通Fenton体系铁离子的含量,有效地降低了铁离子的二次污染。本研究为难降解有机废水的绿色高效处理提供了科学数据和理论基础。

全文目录

作者简介  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-20
  §1.1 选题背景  12
  §1.2 国内外研究进展  12-18
    1.2.1 Photo/铁有机络合物/H_2O_2体系  13-15
    1.2.2 非均相photo-Fenton体系  15-18
  §1.3 研究目的和意义  18-19
    1.3.1 选题的目的  18
    1.3.2 选题的意义  18-19
  §1.4 研究内容及创新  19-20
    1.4.1 研究内容  19
    1.4.2 创新点  19-20
第二章可见光/Fe~0/H_2O_2/柠檬酸钠体系降解罗丹明B的动力学研究  20-30
  §2.1 实验部分  20-22
    2.1.1 研究对象  20
    2.1.2 实验仪器及试剂  20-21
    2.1.3 实验方法  21-22
    2.1.4 主要指标及其分析方法  22
  §2.2 结果与讨论  22-29
    2.2.1 Fe~0用量对降解效率的影响  22-23
    2.2.2 H_2O_2浓度对降解效率的影响  23-24
    2.2.3 柠檬酸钠浓度对降解效率的影响  24-25
    2.2.4 曝气对降解效率的影响  25-27
    2.2.5 体系降解过程中铁离子变化规律  27
    2.2.6 动力学模拟  27-28
    2.2.7 反应过程中COD变化规律  28-29
  §2.3 本章小结  29-30
第三章可见光/Fe~0/H_2O_2/柠檬酸钠体系降解罗丹明B反应机理初步探讨  30-37
  §3.1 实验部分  30-32
    3.1.1 实验仪器及试剂  30-31
    3.1.2 实验方法  31
    3.1.3 主要指标及其分析方法  31-32
  §3.2 结果与讨论  32-36
    3.2.1 自由基淬灭实验  32-33
    3.2.2 对比实验  33-34
    3.2.3 UV-Vis光谱扫描实验  34-35
    3.2.4 可见光/Fe~0/H_2O_2/柠檬酸钠体系的降解机理  35-36
  §3.3 本章小结  36-37
第四章实际印染废水的研究  37-43
  §4.1 实验部分  37-38
    4.1.1 实际废水  37
    4.1.2 实验仪器及试剂  37-38
    4.1.3 实验方法  38
    4.1.4 主要指标及其分析方法  38
  §4.2 结果与讨论  38-42
    4.2.1 H_2O_2用量对降解效率的影响  38-39
    4.2.2 柠檬酸钠用量对降解效率的影响  39-40
    4.2.3 Fe~0用量对降解效率的影响  40
    4.2.4 动力学模型  40-41
    4.2.5 体系降解过程中铁离子变化规律  41-42
  §4.3 本章小结  42-43
第五章结论与建议  43-45
  §5.1 结论  43-44
  §5.2 建议  44-45
致谢  45-46
参考文献  46-49

可见光/Fe0/H2O2/柠檬酸体系处理印染废水的研究

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