活性炭催化过二硫酸盐降解水中难生化有机污染物

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过二硫酸盐活化技术是基于硫酸根自由基(SO4??)的一种新型高级氧化技术,近年来刚刚兴起,在难生化有机废水处理领域具有良好的发展前景。过二硫酸盐活化方法的研究是其发展过程中的热点之一。本文用活性炭(GAC)在常温常压下直接非均相催化过二硫酸盐(PS),对水中难生化有机物酸性橙7(AO7)、活性黑5(RB5)和活性艳橙(X-GN)进行降解,并对活性炭催化过二硫酸盐体系的初始步骤自由基机理进行研究,目的是开发更加高效、节能的有机废水处理新技术。本方法在常温常压下进行,反应条件温和,操作简单,无需外加能量,无二次污染,无污泥产生,对难生化有机物具有良好的降解效果,是一类极具发展潜力的水处理技术。具体研究内容和结果如下:(1)GAC催化PS体系降解AO7:考察了PS浓度、GAC投加量、AO7初始浓度、初始pH值对GAC/PS体系的影响。与单独PS氧化体系(AO7去除率8%)和单独GAC吸附体系(AO7去除率20%)相比,GAC/PS联合体系具有明显的协同作用(AO7去除率80%)。三种体系(PS体系、GAC体系和GAC/PS体系)对AO7的脱色都遵循一级反应动力学(R2 > 0.95),其反应动力学常数分别是0.010 h-1、0.042 h-1和0.397 h-1。PS浓度越高、GAC投加量越多,GAC/PS体系降解效果越好;高浓度和低浓度的AO7溶液在GAC/PS体系中处理效果都很好;近中性环境是该体系的最适初始pH值。由紫外可见谱图和总有机碳(TOC)测定可知,GAC/PS体系不仅对AO7脱色,而且矿化率较高。当PS和AO7摩尔比为100/1,GAC为1 g/L的条件下,5 h内AO7脱色率达80%,萘环去除50%,TOC去除率为48%。PS的分解遵循一级反应动力学(无论是否存在AO7),其分解速率常数随着PS浓度的增加而降低,随着GAC投加量的增加而提高。当用另外两种难生化有机物活性黑5(RB5)和活性艳橙(X-GN)作为模型污染物质时,GAC/PS体系也表现出了类似的协同作用。(2)GAC/PS体系可对典型难生化有机物AO7、RB5和X-GN有很好的降解效果。GAC/PS体系是吸附与催化氧化共存的体系,研究吸附与氧化的相互作用很有必要。通过研究不同操作方式和GAC重复使用时对AO7的处理效果得知:吸附对氧化存在抑制作用,原因可能是吸附在GAC表面的AO7占据了催化位点,氧化剂无法靠近GAC;GAC/PS体系中GAC可以重复使用4次,随着GAC使用次数的增加,GAC部分失活,但随着氧化剂浓度的增加,GAC失活程度减少。重复使用后GAC的吸附能力随着使用次数的增加而减少,其表面含氧官能团、表面微观形态(通过SEM测定)和表面化学物质(通过EDS测定)变化不大。因此,GAC重复使用过程中失活的原因主要是由有机物在GAC表面的吸附引起的。(3)GAC/PS体系有明显的协同作用,这种协同作用是由于GAC/PS体系中产生了硫酸根自由基SO4-·或羟基自由基?OH。用醇类和苯酚作为自由基俘获剂得出结论:GAC/PS体系中自由基对有机物的降解主要发生在GAC的近表面,不在液相主体中。(4)GAC/PS体系中GAC可以重复使用4次,因此设计了GAC/PS连续运行体系。序批式操作系统在活性炭柱连续运行4次后催化效果无损失,直接出水运行体系中活性炭柱中的GAC随着反应的进行逐渐失活。用高浓度的PS对GAC进行再生后,活性炭柱又可重新投入使用,但处理效果相比前一次略微变差。
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