气液两相放电法去除水中有机污染物的研究

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水源污染致使水中含有多种有机污染物,它们对人体健康和水环境质量构成了严重威胁。人们对水质要求的提高与水体恶化之间的矛盾越来越突出,必须采用适当的水处理工艺将这些有机污染物从水环境中彻底去除或者将其浓度降低到安全水平。目前高级氧化技术被认为是非常有效的水处理技术,逐渐成为人们研究的热点。  高压脉冲放电水处理技术是一种新兴的高级氧化技术,其作用原理主要是在两电极之间施加脉冲高压,形成强电场,电极之间会产生高能电子。这些高能电子高速同放电介质发生非弹性碰撞,通过激发、离解和电离等反应,形成非平衡低温等离子体(·OH,·H,·O,O,·HO2,H2O2,O3,等)。另外,该过程还产生高温热解、紫外光解以及液电空化效应和超临界水氧化等一系列反应。在这些物理和化学效应的作用下,水中的有机物可以得到降解去除。高压脉冲放电水处理技术中的气液两相放电方法由于能产生气相和液相的同时放电,并且放电产生的等离子体与水中有机污染物分子接触面积较大,有可能实现大规模生产应用。气液两相放电方法主要有两种放电形式:气包水和水包气形式。本文主要考察了这两种气液两相放电形式及添加催化剂后对水中有机污染物的去除效果,对其反应机理进行研究。  在气液两相放电形式中的电极之间添加活性氧化铝颗粒之后,电场与活性氧化铝之间的相互作用促进了苯酚的降解。电压的增加、气体(空气、氧气和氮气)的通入和溶液初始pH值的升高都提高了苯酚的去除率。在电压25kV,通入氧气1200mL/min时,对于苯酚的去除率达到99%。自由基抑制剂的加入明显地抑制了苯酚的降解,说明了羟基自由基在苯酚降解的过程中起到了重要的作用。一些催化剂(Fe2+,Fe3+和H2O2)的加入促进了苯酚的降解,但随着这些催化剂的投入量增加,苯酚的去除率先增加后降低,存在着一个最佳投量范围。更换填料玻璃珠和陶粒,在相同反应条件下苯酚的去除率都有所降低。在输入能量增加的条件下,污染物的降解率虽然有所增加,但增加的幅度要小于能量增加的幅度,一部分能量被损耗。  在活性氧化铝表面负载羟基氧化铁和二氧化钛,研究了负载型催化剂在气液两相放电过程中所起的作用。在活性氧化铝表面负载了羟基氧化铁后,FeOOH能够催化溶解在氧化铝表面水膜内的O3氧化去除水中的苯酚。纳米级二氧化钛具有一定的催化效果,这是因为放电过程中产生的紫外光催化二氧化钛,产生空穴,与其表面吸附的H2O或OH-离子反应形成具有强氧化性的·OH。在宏观上增加了羟基自由基的量,从而增加了苯酚的降解量,因而在负载了二氧化钛后对于苯酚的去除率最高。  研究上述反应系统中产生的活性物质(过氧化氢和臭氧)在不同反应条件下(不同电压、不同气体和气体流速)的生成量,并考察能量利用效率。随着电压的增加和气体流速的增加,过氧化氢和臭氧的生成量增加。放电过程中由于高能电子与N2的作用,产生的物质溶解在水溶液中会形成硝酸根。在通入氮气的条件下,硝酸根浓度最大。考察了反应过程溶液的pH值、电导率和温度的变化规律。测定了苯酚的降解产物,并对其降解过程进行了分析。  研究了另外一种气液两相放电水处理方法——水中气泡放电方法,即在平行板电极之间淹没流状态下,向反应器内通入气泡的放电效果,并考察该种方法在各种反应条件下对于水中有机物的去除效果。在此基础上对于放电过程中产生的活性物种过氧化氢和臭氧的量进行了测定。然后考察在这种淹没状态下在电极之间添加活性氧化铝后对有机物的去除效果,并研究去除机理。通过比较以上两种方法,得到在淹没状态下在电极之间添加活性氧化铝能促进水中有机物的降解。  采用连续流运行实验,研究了气液两相放电在各种反应条件下对于染料废水的处理效果,为该方法在实际生产中的应用进行初步探索。  通过比较气液两相放电的两种形式——水包气和气包水两种形式对于水中有机物的去除效果,得到气包水形式对于有机物去除效果较好,而且能耗要低一些。
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