金属改性泡沫陶瓷催化臭氧氧化水中苯酚的研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sincerity01
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非均相催化臭氧氧化技术因其无二次污染、可高效去除难降解有机物、适用范围广、处理成本低等优点已广泛应用于工业废水处理。然而目前适用于连续流体系的臭氧催化剂的开发工作仍处在不成熟阶段,存在催化活性和稳定性有待提高、臭氧利用率低、颗粒式催化剂不利于反应传质等问题。针对以上问题本文基于多孔的泡沫陶瓷(CF)材料,制备了金属改性泡沫陶瓷臭氧催化剂,并考察其在连续流反应中催化臭氧氧化有机污染物的性能。本论文的主要工作如下:(1)以三维多孔结构的CF为载体,以γ-Al2O3为过渡涂层,负载活性组分铁、锰、铈制备出金属改性泡沫陶瓷臭氧催化剂,通过BET、SEM、XPS、XRD等表征手段对催化剂进行分析,涂覆γ-Al2O3后催化剂载体发生了从微孔材料到介孔材料的转变,更利于活性组分的负载。红外光谱(FT-IR)分析发现经γ-Al2O3涂覆后材料表面新增了羟基官能团作为反应活性位点。Ce经过煅烧主要以Ce O2形态存在催化剂表面。在静态实验中以苯酚为目标污染物考察催化剂的催化活性,结果表明铈改性泡沫陶瓷(Ce O2/Al CF)催化活性最高,反应100 min时对苯酚的TOC去除率高达90.8%,是单纯臭氧氧化(46.7%)的1.94倍。最佳催化剂Ce O2/Al CF的抗压强度稳定在1.82 MPa,在100 rpm转速下,Ce O2/Al CF的质量损失仅为0.5%,具备良好的机械稳定性。(2)构建连续流臭氧催化反应体系,通过调控水力停留时间(HRT)、气相臭氧浓度、初始p H和陶瓷孔密度优化反应条件,在最佳条件下Ce O2/Al CF催化臭氧氧化苯酚的TOC去除率为82.6%。利用响应曲面法分析单因素间的交互作用发现HRT与初始p H的交互作用对催化臭氧氧化影响最大。对实际石化废水进行三次循环处理后COD由136 mg L-1降至45.2 mg L-1,最终出水COD达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB8978-2002)的一级A标准。比较颗粒状催化剂(Ce O2/Al2O3)和改性泡沫陶瓷在流动体系下的臭氧利用率,Ce O2/Al CF的臭氧利用率保持在53%-73%,始终高于Ce O2/Al2O3(42%-68%)。六次重复实验后,Ce O2/Al CF对苯酚的平均TOC去除率仍高达79.6%,表明Ce O2/Al CF具有良好的稳定性,同时对草酸、2,4-二甲基苯酚、对硝基酚的矿化率高达68%-81%。(3)自由基捕获剂的加入明显抑制了催化臭氧氧化苯酚的矿化过程,结合电子顺磁共振(EPR)实验结果表明Ce O2/Al CF在催化反应中遵循羟基自由基机理。金属Ce的掺入引发Ce4+还原生成Ce3+的过程,促进自由基链式反应进行。
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