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TiO_2/活性炭复合材料降解高速公路站区污水的研究

程海涛  
【摘要】:经济的快速发展带来水资源需求的快速增长和日益严重的水体污染,水资源短缺的危机日益显著。目前,我国高速公路运营站区内修建的污水处理设施大多运行不畅、出水水质达标率不高,污水处理设施的建成率或达标运转率整体较低,且存在污水处理设施运行成本高,出水水质不能持续稳定达标等问题,因此寻找经济且高效的污水处理工艺具有重要的意义。TiO_2作为常见的化学产品催化剂,比其他光催化剂具有一定优势。TiO_2具有稳定性化学性质和抗腐蚀能力,TiO_2没有毒性,为环境友好型材料,对污染物的光催化降解特性强。目前常用的是离子掺杂、贵金属沉积、复合其他半导体、与石墨烯复合等,因TiO_2与含碳化合物掺杂的复合材料可以大幅提高催化效率,故本研究选用TiO_2与活性炭为原材料,对两种原料掺杂的复合材料进行表征,探究不同粒径、不同活性炭(AC)掺杂比、不同煅烧温度、溶液初始pH去除站区污水氨氮的效果,进一步分析其去除氨氮的机理。主要研究内容与结论如下:(1)以高速公路运营站区生活污水为研究对象,通过对山西省3处收费站站区污水处理设备进水口水质进行现状调查和检测分析,探讨了运营站区污水水质特征,并与典型生活污水水质进行了比较,结果表明高速公路运营站区污水中悬浮物和氨氮浓度比一般生活污水浓度高且存在出水氨氮不达标的现象。(2)用溶胶-凝胶法制备得到AC/TiO_2光催化复合材料。实验考察了不同粒径、AC掺杂比例、煅烧温度和溶液初始pH值对高速公路运营站区污水氨氮降解的影响。实验表明最佳掺杂比TiO_2/AC质量比n=20,烧结最佳温度T=500℃,此条件下制备的复合材料在pH=8、紫外光照射60 min的情况下,光催化复合材料去除高速公路运营站区污水氨氮的效率达到71.6%。(3)在复合材料AC/TiO_2的形貌特征和晶相结构等理化特征分析中,用到了X射线衍射、紫外可见漫反射、扫描电镜和比表面积表征方法。分析表明,通过溶胶-凝胶法制备的复合材料,TiO_2颗粒在AC表面均匀分散,在复合材料粒径减小时,AC/TiO_2光催化复合材料对光的吸收可从紫外光区增强至可见光区;实验表明最佳掺杂比TiO_2/AC质量比n=20,烧结最佳温度T=500℃,此条件下制备的复合材料在pH=8、紫外光照射60 min的情况下,光催化复合材料去除高速公路运营站区污水氨氮的效率达到71.6%。经过重复利用三次后,光催化复合材料去除运营站区污水氨氮的效率仍可达到68.9%。


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