異相雙金屬顆粒催化電-Fenton技術(shù)對反滲透濃縮液有機物的降解研究

發(fā)布時間：2020-04-15 21:11

【摘要】：城市污水作為再生水資源,不僅能滿足雜用水水質(zhì)要求,經(jīng)過RO(Reverse Osmosis,反滲透)等高級處理能滿足工業(yè)生產(chǎn)、飲水水源補水等水質(zhì)要求,然而RO產(chǎn)生的濃縮液大約占處理水量的20%~25%,濃度為RO進水的4~5倍。RO濃縮液中含有各種難降解的有機和無機污染物,其可生化性低,難以被微生物分解,若將其排放到自然環(huán)境中,也很難通過天然的生物凈化系統(tǒng)降解,所以尋找一種經(jīng)濟有效的處理RO濃縮液的方法至關(guān)重要。異相電-Fenton技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一門新興水處理技術(shù),對含鹽量高、導(dǎo)電性強的RO濃縮液有很好的處理效果。因此本文以含鋁的MCM-41為載體,負(fù)載銅和錳制備催化劑,外加電源,構(gòu)建異相雙金屬電-Fenton體系處理模擬RO濃縮液。以COD_(Cr)去除率為評價指標(biāo),考察影響催化劑活性的主要因素,并對催化劑進行表征分析;通過單因素試驗考察相關(guān)因素對CF(Carbon Felt,碳氈)-Pt電-Fenton體系H_2O_2和COD_(Cr)去除率的影響;通過動力學(xué)擬合該體系有機物降解規(guī)律、探討異相電-Fenton體系降解機制、不同金屬物種的作用機制和催化劑重復(fù)性和長效性分析,得出以下結(jié)論:(1)使用共沉淀法合成MCM-41作為載體,投加金屬物種銅、錳和鋁,制備催化劑空白對照M1(MCM-41)、負(fù)載金屬錳M2(Mn/MCM-41)、負(fù)載金屬錳銅M3(Mn-Cu/MCM-41)、負(fù)載金屬錳銅鋁M4(Mn-Cu/MCM-41-Al)。對比發(fā)現(xiàn)M3、M4催化活性最高,使用鋁修飾的MCM-41更容易穩(wěn)定金屬,降低金屬離子的浸出。通過單因素試驗得出:M4的最佳制備條件為錳銅投加量為0.3mmol/L、焙燒溫度為550℃、焙燒時間為6h;采用TEM、BET、XRD等分析方法對制備的四種催化劑進行表征分析,所有樣品均為有序的二維六方介孔結(jié)構(gòu),金屬顆粒在二氧化硅框架內(nèi)均勻分散。隨著金屬的加入,催化劑比表面積呈降低趨勢。(2)對CF-Pt電-Fenton體系H_2O_2產(chǎn)量進行了研究,在0.1mol/L Na_2SO_4溶液中,電流密度為3.5 mA/cm~2,通氧量為0.3 m~3/L,pH值為3,180 min時H_2O_2產(chǎn)量最大,為105 mg/L。其中電解質(zhì)種類、電流密度和通氧量為主導(dǎo)因素。CF-Pt電-Fenton體系H_2O_2產(chǎn)量表現(xiàn)穩(wěn)定,所以該體系在電生成H_2O_2和降解有機污染物方面具有很好的應(yīng)用前景。(3)為探討異相電-Fenton體系對有機物的降解作用,比較了七種體系對模擬RO濃縮液中有機物(腐殖酸)的去除效果,試驗結(jié)果表明,異相電-Fenton體系對腐殖酸的去除有吸附作用、電化學(xué)氧化和Fenton氧化作用,Fenton氧化作用占主導(dǎo)作用。催化劑M4的活性較高,異相電-Fenton優(yōu)于試驗中其它技術(shù)。(4)以M4作為催化劑,采用CF-Pt電-Fenton體系處理模擬RO濃縮液。通過單因素試驗得出該體系的最佳運行條件為pH值為6、催化劑投加量為0.5g/L、電流密度為3.5 mA/cm~2,通氧量為0.3 m~3/L,60 min后COD_(Cr)去除率為90%,出水COD_(Cr)為15 mg/L,實際電流效率(GCE)為43%。另外,在其它反應(yīng)條件相同的情況下,模擬RO濃縮液中含鹽量在500~2000 mg/L之間時,較低的含鹽量(500~1000 mg/L)有助于COD_(Cr)的去除。在較寬的pH范圍內(nèi)(3~7),CF-Pt電-Fenton體系對腐殖酸的降解表現(xiàn)穩(wěn)定,COD_(Cr)去除率均穩(wěn)定在90%左右,該體系在近中性條件下對有機物仍具有較好的去除效果。(5)對異相電-Fenton體系反應(yīng)機理進行分析和研究。通過異相電-Fenton體系降解腐殖酸進行機理探討,構(gòu)建催化劑M4(Mn-Cu/MCM-41-Al)催化氧化機制方程;異相電-Fenton體系對有機物的降解符合準(zhǔn)一級動力學(xué)模型;催化劑M4中所含的銅和錳能明顯改善其催化活性,而鋁的加入對催化活性幾乎沒有影響,但能減少銅和錳金屬離子的浸出,使催化劑的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;對催化劑M4的穩(wěn)定性進行測試,重復(fù)使用三次后,腐殖酸的降解率依然穩(wěn)定在80%左右,每次使用后金屬離子浸出量較少。
【圖文】：

反應(yīng)原理

去除率可以達到 92%以上。使用 BDD 電極處理從工業(yè)縮液，DOC 和氨氮去除效果較好，這是因為 BDD 材料用臭氧氧化、Fenton 氧化、光催化氧化、超聲降解和電液中的有機物，都得到較好的處理效果，能有效降解 R子有機污染物。ton 原理與研究進展技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型電化學(xué) AOPs 技術(shù)。理是通電條件下利用合適的陰極材料將O2在陰極表面還 Fe2+催化劑反應(yīng)生成具有強氧化性質(zhì)的羥基自由基( O分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)有機物的氧化分解。具體機理如圖 1-1

技術(shù)路線圖,技術(shù)路線,反滲透濃縮液,異相