改性活性炭去除再生利用水中溶解氧的研究

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山西省是水资源严重匮乏的省份,太原市作为能源和化工基地,工业用水量非常大。如果可以将达标排放的城市污水进行再生利用供做工业用水,既可以实现污水再生利用,同时也可以解决太原市的水资源短缺问题。然而建设专门的输送再生利用水的管网需要的投资很大。在我国北方的大部分地区,冬季气温较低,人们主要通过供热管道集中供暖来提高室内温度。然而一年只有4-5个月左右的供暖周期,其余时间供热管道都是闲置的。达标排放的城市污水经过适当处理后的水质接近城市热力网设计规范要求,就可以通过太原市集中供热管网输送,用于工业用水。但是前提条件是不能对原有的热力管网系统造成管道腐蚀,影响后续的供热,造成管道腐蚀的原因最主要的是氧腐蚀,其次还有氯离子(Cl-)等的腐蚀,故污水再生水的溶解氧(DO)去除显得非常重要,传统去除DO的方法有物理法、化学法和催化法,催化法由于反应迅速但是不增加有毒物质进入水体而受到广泛的关注。本论文利用高压水热、等体积浸渍法和高压水热与等体积浸渍联合法对原料活性炭(RAC)进行改性以后用做催化剂,同时加入联氨与再生水中的溶解氧进行反应,考察溶解氧的去除效果。结果表明:270℃下对活性炭进行高压水热改性,溶解氧去除效果最好,去除率为53.07%;等体积浸渍法选用溶液浸渍原料活性炭,浸渍温度60℃、浸渍时间3h、金属负载量5%时,溶解氧去除效果最佳,去除率为85.92%;联合法改性时,对原料活性炭先进行高压水热改性再进行等体积浸渍改性,去除效果最佳,去除率可以达到98.56%。实验选取效果最佳的改性活性炭做催化剂(GS270-5-Ni-60-3),在静态条件下考察温度、p H值、催化剂投加量等操作条件对实验结果的影响。在动态条件下考察流速对实验结果的影响。结果表明:温度越高,反应速度越快,溶解氧去除率也越高,45℃时溶解氧去除效果最好,反应开始20h后溶解氧去除率就达到99.46%;碱性条件有利于改性活性炭催化联氨去除溶解氧,p H=13可以达到最佳的除氧效果,反应开始20h后溶解氧去除率达到99.64%;催化剂量选取7g/L时反应最快,溶解氧去除效果最佳,反应开始20h后溶解氧去除率达到99.64%;流速为5L/h,DO去除效果最佳,溶解氧去除率可以达到98.74%。通过正交试验筛选出的改性活性炭催化去除再生水中溶解氧的最佳反应条件是:温度45℃,p H=13,流速5L/h,催化剂量7g/L,去除率可以达到99.82%。同时本论文运用低温N2吸附法、SEM和FTIR等手段对活性炭改性前后及反应前后的的样品进行分析表征。氮气低温吸附法表明:高压水热法可以改善活性炭孔隙结构,原先被堵塞的微孔被打开,部分微孔被拓展成中孔,比表面积、平均孔径、总孔容积、中孔容积、微孔容积和微孔面积分别增加了、、、、和,先浸渍后高压水热联合改性后的活性炭的中孔数量、中孔容积、总孔容积和比表面积等各项表征数据均比先高压后浸渍联合改性后要高,负载金属的量后者比前者多;经过反应后,微孔容积、中孔容积都有所下降,但是微孔容积下降的更多,说明微孔在溶解氧的去除过程中起的作用比较大,中孔次之;通过SEM及EDS元素分析表明:联合改性结合了两种单一改性法的优势,先经过高压改性后活性炭孔径变大,孔结构分布均匀,然后再进行浸渍改性时,负载的Ni含量相比单一浸渍改性有很大程度的提高;通过FTIR表征发现:高压水热改性、浸渍改性和联合法改性基本不会引起活性炭表面官能团种类的变化,但是可以引起官能团数量的变化,尤其可以使得有利于催化反应的NH和C-O-C-O-C官能团数目增加。本论文对改性活性炭的制备以及去除水中溶解氧的实际反应条件和反应机理进行了较为系统的研究。但是由于时间有限对于催化机理的研究还存在一定的欠缺,建议将来有机会可以做更深层次的探索。
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