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三维电极-Fenton试剂法处理苯酚废水的试验研究

班福忱  
【摘要】:三维电极-Fenton试剂法是在三维电极法和电Fenton法的基础上提出来的,是一种新型的电化学水处理技术,在环境污染治理领域的应用已初见端倪,深入开展有关研究具有重要的理论和现实意义。 本文针对苯酚模拟废水为处理对象,以自制电化学反应器为试验装置,采用三维电极-Fenton试剂法对其进行了处理,主要内容如下: 研究了铁板、石墨、Ti/RuO2-IrO2三种阳极材料、多孔石墨、活性炭纤维和不锈钢三种阴极材料对苯酚废水处理效果的影响,表明以Ti/RuO2-IrO2电极作为阳极,活性炭纤维作为阴极的电解体系苯酚去除率最高。研究了不同填料作为粒子电极对苯酚的去除率的影响,表明粒炭不适合做粒子电极,石英砂和活性炭混合比单一活性炭填料处理效果好;按比例投加涂膜活性炭和未涂膜活性炭能明显改善反应性能,提高苯酚去除率,涂膜活性炭与未涂膜活性炭体积比为1:2时苯酚去除率为95.9%。 研究了清水条件下三维电-Fenton法产生H2O2的主要影响因素。在反应温度为20℃、反应时间为60min、pH值为3、电流密度为10mA/cm2、选用通入空气进行曝气等试验条件下,H2O2的产量为248.6mg/L,为下一步Fe2+投加奠定了理论与试验基础。 研究了Na2SO4电解质投加浓度、苯酚水样浓度、pH值、反应时间、电解电压、Fez+投加浓度、极板间距、曝气强度等因素对三维电极-Fenton试剂法处理苯酚废水的影响,并对其影响作用机理进行了分析;在单因素试验基础上进行了正交试验,结果显示影响水样中苯酚去除率的因素主次顺序为pH值电解电压Fe2+投加浓度极板间距电解质投加浓度。根据正交试验结果,确定了最佳反应条件,在此条件下苯酚甲均去除率可达97.27%。 研究了几种无机阴阳离子对反应体系的作用,得出Fe3+对该反应的作用取决于其在溶液中的浓度,适当浓度的Fe3+能够与Fe2+协同作用,促进增强Fenton试剂的催化氧化能力,而当Fe3+浓度过高时,反而起到抑制作用。CO32-、H2PO4-和Cl-对体系的催化氧化性能有不同程度的抑制作用,其抑制能力的大小为:CO32-H2PO4-Cl-。这些离子对反应体系的影响主要是对自由基的清除反应、或是参与了对铁离子的络合、对H202的无效分解等;N03-的存在对去除苯酚废水的催化氧化性能无明显影响。 研究了各主要单因素对两种电Fenton法影响的不同;得出三维电极-Fenton试剂法对pH值的要求略低于二维电Fenton法;可以处理较高浓度的苯酚废水;电解电压、电解时间、电解质投加量等因素均低于二维电Fenton法,三维电Fenton法对苯酚的去除率比二维电Fenton法高出近20%。建立了三维电Fenton反应器与二维电Fenton (?)乏应器的能耗比值模型:通过能耗模型得出,三维电Fenton法比二维电Fenton法更节省能耗,在实际工程应用中值得推广。 建立了三维电极-Fenton试剂法氧化降解苯酚废水的动力学模型,得出该过程符合一级动力学模型,在一定反应条件下,影响该反应速率的因素从强到弱顺序为:电压、Fe2+投加量、极板间距、电解质投加量、曝气强度。总反应拟合方程为Ct=C0exp (-1.05×10-12 U1.7784D1.2289M0.9941Q0.9210F1.4613t)。对苯酚降解机理进行分析,得出苯酚的去除主要是羟基自由基、电极的直接氧化以及体系中其它活性物种的共同作用的结果,在该体系中·OH的存在对苯酚降解贡献最大。通过对苯酚水样紫外-可见吸收光谱和气相色谱-质谱联机分析,得出苯酚氧化降解主要中间产物有苯二酚、醌类以及羧酸等。降解历程可能为:苯酚先被·OH氧化为芳环类苯二酚和醌类,随后开环氧化为羧酸类化合物,直至最后矿化为CO2和H20。


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