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微波辅助低温低压湿式催化氧化处理高浓度有机废水的研究

孙勇  
【摘要】: 湿式催化氧化技术是处理高浓度难降解有机废水的有效方法。但因其需要较高的操作条件(高温、高压),给设备建造和安全运行等带来诸多问题,在很大程度上限制了该工艺的实际应用。对此,本论文采用一种新的工艺——通过微波辅助在(相对于传统的湿式催化氧化条件)低温(<200℃)低压(<2.0 MPa)条件下,以活性炭为催化剂,氧气或过氧化氢为氧化剂,在固定床微波反应器内间歇式的处理高浓度有毒有害难降解的有机废水,如苯酚溶液、炼油废水和制药废水,来考察这种新工艺的实用性与可行性。获得的主要结果如下: 在微波辅助催化湿式氧化处理苯酚溶液的实验中,考察了浓度为20000 mg/L的苯酚溶液的处理情况,通过对反应温度、氧分压、活性炭用量和微波功率等不同工艺参数的考察得出了反应最佳实验条件。结果表明,在反应温度为150℃,氧分压为0.8 MPa,GAC催化剂投加量为5wt.%,660 W微波功率的条件下,91.5%的苯酚能够被降解,TOC总去除率达到73.3%,可生化性(BOD_5/COD)由最初的0.04提高到0.36。产物分析结果表明,在微波辅助催化湿式氧化降解苯酚过程中,对二苯酚、邻二苯酚、苯醌和马来酸能是主要降解产物,微波高温热解和氧化分解作用同时存在于苯酚的降解反应过程中。 在处理炼油废水的实验中,增加了一步带压曝气工艺。实验表明,向溶液内部施加曝气,增加了氧气由气相向液相传质的速率,使得炼油废水中COD的去除率有进一步的提高。当曝气流量为0.02 m~3/h,反应温度为150℃,氧分压为0.8 MPa,GAC催化剂投加量为5wt.%,660 W微波功率的条件下,炼油废水中COD的去除率达到91.8%,可生化性由最初的0.08提高到0.47。其中反应温度、氧分压、GAC催化剂的投加量以及微波功率都对COD的去除率有一定影响。 水和活性炭的微波升温实验表明,微波辐照下活性炭的快速升温使其与周围水相之间产生温度梯度,致使水升温速度加快。活性炭在微波辐射下快速升温的性能为其在催化过程中局部达到高温提供可能,而高温是湿式催化氧化中·OH产生的必需条件。 在研究溶液蒸发量的实验中,分别考察了反应温度、反应压力以及微波功率对溶液蒸发量的影响。由于反应装置是一密闭容器,并且外界所施加的压力大于溶液的饱和蒸汽压,因此在实验过程中溶液的蒸发量很少。在采用优化的工艺参数对溶液处理后,溶液内部的蒸发量小于5%,而且这部分蒸发量基本保留在反应器内部。 对于COD浓度更大(80254 mg/L)、更难降解的制药废水,本文采用了过氧化氢微波辅助湿式催化氧化法。即向反应体系中加入一定量的过氧化氢作为氧化剂,并通过微波辅助进行湿式催化氧化。结果表明,当过氧化氢的投加量为0.3 mol/L,反应温度为160℃,氧分压为0.8 MPa,GAC催化剂投加量为5wt.%,660 W微波功率的条件下,经过30 min的处理,其COD的去除率可达到85.2%,可生化性由最初的0.06提高到0.42。 能量衡算表明,微波辅助催化湿式氧化工艺适用于高浓度有机废水的处理,如果能将微波能和热交换系统有效的结合可显著降低经济成本,增强其实际应用的可行性。 通过对微波辅助湿式催化氧化的研究证明,该工艺能在较温和的反应条件下有效的处理高浓度难降解有机废水,使得这种工艺可以在比较安全、方便的条件下高效运行,提供了一种能在低温(<200℃)、低压(<0.8MPa)的反应条件下处理难降解有机废水的新途径。


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