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活性炭纤维对水中酚类有机物的催化臭氧化

曲险峰  
【摘要】: 酚类化合物广泛存在于石油化工厂、树脂厂、焦化厂、炼油化工厂等排放的废水中,对这些含酚废水的处理日益引起人们的重视。使用固体催化剂的多相催化臭氧化技术可以有效地降解和消除这些有害污染物,具有很好的应用前景,成为研究的热点问题。活性炭的吸附工艺在水处理中得到了广泛的应用,但是活性炭在吸附过程中很容易达到饱和,需要再生,甚至更换,因此再生或更换的高成本限制了其应用的广度和深度。活性炭吸附和臭氧化的联合使用可以对水中有机物的降解提供很强的协同效应,克服单独吸附和臭氧化的各自缺点,提高处理效率。而活性炭纤维富含直接开口于表面的微孔,具有较快的吸附速率和优异的吸附性能。本文以苯酚和2,4-二氯苯酚为目标污染物,研究并比较了活性炭和活性炭纤维催化臭氧化过程中的影响因素,以及臭氧化过程对炭表面性能的影响;同时考察了活性炭和活性炭纤维对聚氧乙烯脂肪醇醚炼油废水的臭氧化降解。 研究了活性炭和活性炭纤维催化臭氧化降解苯酚和2,4-二氯苯酚的影响因素,考察了不同孔结构参数、炭的用量、初始pH值、进气流量以及初始酚浓度对处理过程的影响。虽然二次活化后活性炭和活性炭纤维的比表面积和总孔体积增加,导致其对水中酚类化合物的吸附性能明显提高,但是二次活化对于活性炭的催化臭氧化性能几乎没有影响,而对于活性炭纤维的催化性能仅有较小的提高。炭表面上的催化臭氧化反应速率较快,只有开口在外表面上、具有较快吸附速率的孔才起到了催化作用,因此,二次活化后活性炭颗粒内部的成孔几乎不起作用,而活性炭纤维的大部分成孔仍然开口在纤维外表面,使得催化性能提高。催化剂的用量和进气流量增加能够提高臭氧化的效率,但只有增加催化剂用量才能显著增加臭氧化效率,而活性炭纤维独特的孔结构使其对酚的催化臭氧化效率为活性炭的数倍。初始pH值和酚浓度对两种炭的臭氧化过程具有相同的影响:由于碱性条件下酚的解离导致其几乎不被吸附,催化臭氧化效率要小于酸性下,而且随pH值的增加而减少,但是酸性的强弱对臭氧化过程几乎没有影响;酚浓度的增加仅使降解效率略为下降,但是总的酚去除量大幅度增加。由于臭氧化过程中分解产生的中间产物难于被臭氧氧化,各种条件下的COD(化学耗氧量)去除率小于相应的酚去除率。重复使用表明活性炭和活性炭纤维在臭氧化过程中都可以有效地被原位再生,催化性能几乎没有变化。 由于表面上臭氧分解产生活性物种的影响,活性炭纤维的表面化学性质在臭氧化过程中有一些变化,臭氧化后表面的含氧官能团总量增加,其中羧基、羟基和羰基的量增加,而内酯基的量降低;pHPZC降低,表面更亲水。同时,由于臭氧化导致表面上新微孔的形成和一些孔的扩大或堵塞,活性炭纤维的比表面积和总孔体积增加,孔径分布发生变化。微孔变得更小而且数量增加,出现更多的中孔和大孔。 由于暂时硬度的Ca2+同苯酚分解中间产物结合而生成沉淀,导致苯酚和COD去除率都增加,臭氧化后活性炭纤维的比表面积和总孔体积稍微下降;而永久硬度的Ca2+与炭表面的羧基官能团结合而影响吸附,使苯酚和COD去除率都降低;由于Fe3+与苯酚的络合,降低了吸附和与活性物种的反应几率,导致臭氧化效率降低;Mn2+存在时生成具有絮凝和催化作用的胶体二氧化锰,臭氧化初始阶段的效率得到略微提高,但对最终结果几乎没有影响。Ca2+(永久硬度)、Fe3+和Mn2+都使臭氧化后活性炭纤维的比表面积和总孔体积增大,其中以永久硬度的Ca2+增加的幅度最大,Fe3+次之,Mn2+最小。 对于含有聚氧乙烯脂肪醇醚这种低聚物的实际废水的臭氧化,活性炭和活性炭纤维表现出与苯酚催化臭氧化完全不同的动力学特性。由于这些低聚物分子较大而不易被活性炭纤维吸附,活性炭的催化臭氧化效率明显高于活性炭纤维。由于pH值对吸附没有影响,碱性下OH?的催化臭氧分解导致降解效率显著提高。由于低于35°C时的温度升高导致分子运动加快和反应活化能降低,有利于臭氧化降解,当温度升高超过40°C时,由于水中臭氧溶解度的减少和臭氧分解速率的快速增加,降解速率反而减慢。


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