辉光放电等离子体降解水中有机污染物与还原六价铬的研究

论文摘要

辉光放电等离子体水处理技术是近十余年发展起来的具有工艺灵活,放电电压低,适合处理高含盐量废水和无二次污染的新型水处理高级氧化技术。目前辉光放电等离子体降解水中有机污染物尚存在能量利用率较低的缺点。本论文利用加入铁盐催化放电过程中产生的过氧比氢生成羟基自由基来加速有机物的降解,以提高等离子体的能量利用效率。实验结果发现铁离子的催化效果优于亚铁离子,本研究为Fenton试剂处理有机废水提供了新的思路。铬化合物广泛应用于电镀,制革,冶金等行业。这些工业在生产过程中排放出大量的含铬废水,其中含有强致癌性的六价铬。常规含铬废水的治理方法需要大量的还原剂并产生二次污染。本论文首次运用辉光放电等离子体诱导还原模拟含铬废水中六价铬,发现辉光放电等离子体能有效地将六价铬还原为三价铬,为等离子体在水中有毒重金属的还原去除开拓了新领域。本论文分为两部分共五章:第一章介绍了典型等离子体水处理工艺及基本原理,比较了各种等离子体水处理技术的优缺点;并讨论了含铬废水的治理方法现状和未来的发展趋势。第二章以硝基苯水溶液为模拟废水,考察了污染物初始浓度、电流、电压和溶液体积等实验参数对硝基苯辉光放电等离子体降解的影响;比较了高压脉冲放电和辉光放电在硝基苯的去除和过氧化氢的生成方面的能量效率;探讨了硝基苯的降解机理。结果表明无催化剂条件下硝基苯降解遵守一级反应动力学规律,在450-550V之间,一级反应速率常数与放电电流成正比,与溶液体积成反比。当电压低于450 V时,速率常数急剧降低;pH值对降解没有明显的影响;主要中间产物为硝基苯酚,苯酚,1,3-二硝基苯、羧酸、硝酸根和亚硝酸根,最终产物是硝酸根离子、水和二氧化碳。降解过程中有过氧化氢生成,铁盐对硝基苯降解有明显的催化作用。第三章考察了电解质种类、自由基清除剂、催化剂等条件对双酚A降解及过氧化氢生成的影响。结果表明在氯化钠电解质溶液中双酚A降解速率最大,但过氧化氢生成速率最低。自由基清除剂对双酚A的降解和过氧化氢的生成有抑制作用,三价铁离子的催化作用优于亚铁离子。铁盐存在时双酚A降解的中间产物量比较高,无铁盐存在时降解中间产物主要为羧酸。研究发现辉光放电等离了体降解双酚A的能量效率高于光催化。第四章系统地研究了铁盐对辉光放电等离子体降解苯酚的催化作用,结果表明在放电过程中有大量过氧化氢生成,三价铁离子的催化效果优于二价铁离子。原因是辉光放电等离子体产生了羟基自由基和过氧化氢,羟基自由基与苯酚反应生成二羟基环己二烯自由基,该自由基有还原性,能将铁离子还原成亚铁离子,亚铁离子与过氧化氢反应生成更多的羟基自由基,如此循环。在铁盐存在下,中间产物主要为对苯二酚,邻苯二酚和对苯醌。第五章尝试运用辉光放电等离子体还原模拟含铬废水中的六价铬,考察了电压、pH值和自由基清除剂对六价铬还原的影响并对其机理进行了初步的解释。结果发现辉光放电等离子体能有效地诱导还原模拟废水中的六价铬为三价铬,降低pH值和加入羟基自由基清除剂有利于还原。在溶液初始pH值为2,和100 mg/L苯酚存在的条件下,100 mg/L的六价铬可以在10分钟内被完全还原去除。研究发现辉光放电等离子体诱导还原六价铬的能量效率高于光催化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 低温等离子体水处理技术
• 1.1.1 介质阻挡放电
• 1.1.2 高压脉冲放电
• 1.1.3 滑动弧光放电
• 1.1.4 辉光放电
• 1.2 含铬废水处理
• 1.2.1 化学法
• 1.2.2 生物法
• 1.2.3 物理化学法
• 1.2.3.1 辐射还原
• 1.2.3.2 光催化还原
• 1.3 本论文课题的提出
• 参考文献
• 第二章 辉光放电等离子体降解水溶液中硝基苯的动力学研究
• 摘要
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 装置与分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 硝基苯的降解
• 2.3.2 初始浓度对硝基苯降解速率常数的影响
• 2.3.3 溶液体积对硝基苯降解速率常数的影响
• 2.3.4 电流对硝基苯降解速率常数的影响
• 2.3.5 电压对硝基苯降解速率常数的影响
• 2.3.6 初始pH对硝基苯降解速率常数的影响
• 2.3.7 铁盐对硝基苯降解的催化作用
• 2.3.8 降解中间产物
• 2.3.9 硝基苯降解的能量效率
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 辉光放电等离子体降解水溶液中的双酚A
• 摘要
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 装置及分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 电流-电压特征曲线
• 3.3.2 电解质对双酚A降解和过氧化氢生成的影响
• 3.3.3 羟基自由基清除剂对双酚A降解和过氧化氢生成的影响
• 3.3.4 铁离子和亚铁离子对双酚A降解和过氧化氢生成的影响
• 3.3.5 COD和TOC的变化
• 3.3.6 可能的降解机理
• 3.3.7 能量效率
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Fenton试剂与辉光放电等离子体相结合降解水溶液中的苯酚
• 摘要
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.2.2 实验装置及分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 苯酚的降解和过氧化氢的生成
• 4.3.2 铁盐对苯酚降解的催化作用
• 4.3.3 降解中间产物和反应机理
• 4.3.4 COD和TOC的变化
• 4.3.5 能量效率
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 辉光放电等离子体还原水溶液中Cr（Ⅵ）的研究
• 摘要
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器与试剂
• 5.2.2 装置与分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 电压对CR（Ⅵ）还原速率的影响
• 5.3.2 初始pH值对CR（Ⅵ）还原的影响
• 5.3.3 Cr（Ⅵ）的初始浓度对还原的影响
• 5.3.4 羟基自由基清除剂对CR（Ⅵ）还原的影响
• 5.3.5 能量效率
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 论文的主要创新点:
• 攻读博士学位期间撰写的论文
• 致谢