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《中国矿业大学》 2015年
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有机废水的煤吸附净化机理研究

徐宏祥  
【摘要】:吸附法广泛应用于焦化废水和含油废水等有机废水处理与回收工艺中,对水体颗粒物和难降解有机物都具有较好的处理效果。吸附法的优点很多,但也存在成本高和产生底泥的缺点,如何扬长避短,是研究过程中考虑的重要问题。煤是一种复杂的多孔介质,是天然吸附剂,且吸附后的煤可以继续作为原用途使用,其价值没有减少,本文提出将煤用于吸附处理工业有机废水,以褐煤、焦煤和无烟煤吸附处理模拟焦化废水为研究对象,对煤吸附难降解大分子有机物的吸附规律、吸附效率、吸附过程、吸附类型和吸附机理进行了研究分析。据此提出了煤吸附净化法,并对其在焦化废水和含油废水中的实际应用进行了探索研究,为煤吸附净化法的工艺开发和工业应用提供理论指导。主要研究内容包括以下几个方面:对煤样的理化性质进行了研究分析。通过XRF、XRD、SEM、FTIR以及滴定法研究分析得到了三种煤样的元素组成、矿物组成、表面微观形貌特性以及表面的含氧官能团组成及含量;通过BEL全自动吸附仪测试,得到了三种煤样的比表面积、孔表面积、孔容及孔径分布等特性;同时研究得到了p H对煤比表面积的影响,利用热重-气相色谱/质谱联用研究分析了煤的热稳定性。从煤的物化性质上证明了煤作为吸附剂的可行性。采用常规水质分析方法和GC/MS分析方法对焦化废水的常规指标、有机物组成及含量等理化性质进行了研究分析,得到废水中的主要有机污染物是苯酚类,其次是喹啉类、吡啶类、吲哚类以及其他大分子稠环类物质。建立了静态吸附试验系统,确定了有机物含量的测定方法,通过静态吸附实验得到了煤样投加量、恒温振荡吸附时间、不同吸附质初始浓度、溶液p H值、温度等因素对溶液中单一大分子有机物(喹啉、吡啶、吲哚和苯酚)去除的效果及影响规律。同时研究了煤样对混合有机物溶液的吸附效果,不同的有机物具有不同的分子组成、分子结构、官能团及分子尺寸,在煤粉的孔隙中具有不同的吸附孔径和吸附点,有机物之间存在竞争吸附,其吸附效率顺序为喹啉吲哚吡啶苯酚。考察了褐煤、焦煤和无烟煤吸附大分子有机物(喹啉、吡啶、吲哚和苯酚)的热力学特征。并采用Langmuir、Freundlich、Temkin、Redlich-Peterson(R-P)和Dubinin-Radushkevich(D-R)五种等温吸附模型对三种煤样的等温吸附线做了拟合,并对拟合结果做了误差分析,得到褐煤、焦煤和无烟煤吸附大分子有机物的过程符合Freundlich和R-P方程。以焦煤吸附喹啉为研究对象,计算其热力学函数ΔG°、ΔH°和ΔS°,其中△G°的值都小于0,得到其吸附过程主要是一个自发的过程;ΔH°=﹣21.27 KJ·mol-1,放热量在20.00 KJ·mol-1左右,吸附过程为放热反应,主要为物理吸附,在低温时有利于吸附过程;ΔS°=﹣66.48 K J·mol-10,表明分子被吸附到煤表面上以后运动受到限制,使吸附熵减小。考察了褐煤、焦煤和无烟煤吸附大分子有机物(喹啉、吡啶、吲哚和苯酚)的动力学特征。分别用准一级动力学方程、准二级动力学方程、颗粒内部扩散模型和Bangham模型四种吸附动力模型对三种煤样的吸附动力学曲线进行拟合,并对拟合曲线进行误差分析,得到褐煤、焦煤和无烟煤吸附溶液中有机物的吸附动力学曲线符合准二级动力学速率方程,吸附的过程由颗粒内扩散和膜扩散共同控制。吸附速率与吸附剂的比表面积成正相关。以焦煤吸附喹啉为研究对象,计算得到其吸附活化能Ea=5.51 KJ·mol-1,其吸附过程属于物理吸附,且吸附活化能较小,吸附较易进行。建立了动态吸附试验系统,考察了褐煤、焦煤和无烟煤吸附大分子有机物(喹啉、吡啶、吲哚和苯酚)的动态吸附。研究了吸附质浓度、流速和吸附柱个数对吸附效果的影响规律。以褐煤、焦煤和无烟煤吸附喹啉为代表,建立了吸附柱吸附动力学数学模型,得到穿透曲线的计算公式,模型和公式可以较好研究分析焦煤吸附柱的动态吸附过程。研究对比分析了褐煤、焦煤和无烟煤吸附大分子有机物(喹啉、吡啶、吲哚和苯酚)前后的FTIR、SEM、XPS图谱,测试了三种煤样的零电点和等电点,得到煤样吸附有机物存在物理吸附和化学吸附两种吸附形式,经过推理研究得到煤吸附有机物的作用机理。提出了煤吸附净化法,考察了煤吸附净化法在焦化废水和含油污水中的实际应用效果,得到了煤吸附净化法在焦化废水和含油污水中应用的最佳条件,并对煤吸附净化法用于含油污水的吸附净化机理进行了讨论分析,得到煤吸附油的吸附类型和吸附净化过程机理。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O647.3;X703

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