常温常压催化湿式氧化工艺处理染料废水的研究

论文摘要

湿式空气氧化工艺（Wet Air Oxidation,简称WAO）是处理高浓度、难降解有机废水的有效方法。但传统WAO工艺反应条件苛刻、处理成本高、对设备要求严格,大大限制了该技术的推广应用。针对这些问题,本文系统地研究了常温常压催化湿式氧化（Catalytic Wet Oxidation,简称CWO）工艺,该工艺具有反应条件温和、处理效果好等优点。本文围绕常温常压CWO工艺中催化剂的研制这一技术关键,制备了三种用于该工艺的负载型催化剂,并以三种模拟偶氮染料（甲基橙,酸性橙和活性黑）为目标降解物,考察了他们在常温常压催化湿式过氧化氢氧化（Catalytic Wet Peroxide Oxidation,简称CWPO）和常温常压催化湿式空气氧化（Catalytic Wet Air Oxidation,简称CWAO）工艺中的催化活性。研究了染料在常温常压CWAO工艺中的动力学和降解历程,并将CWAO工艺与生物膜技术耦合,用于处理实际染料废水,取得了理想的处理效果。本文首先以γ-Al2O3为载体,采用浸渍法制备了负载型的Fe2O3/γ-Al2O3催化剂,对其进行了结构表征,并考察了其在常温常压CWPO中的催化活性。结果表明,Fe在催化剂中是以斜方体的α-Fe2O3晶体形式存在,其在催化剂中的含量为1.907%;将该催化剂用于常温常压CWPO工艺中处理模拟甲基橙染料废水,处理3h时废水的脱色率可达75%左右。为了提高Fe2O3/γ-Al2O3催化剂的催化活性,采用稀土元素Ce对其进行改性处理,制备了Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3催化剂。催化剂的结构分析表明,在Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3催化剂中,Ce的掺杂起到了结构助剂和电子助剂的作用,它能够使催化剂表面的活性组分颗粒粒径变小,分散度提高,同时能够增加催化剂表面吸附氧的含量,从而使催化剂表面的活性点位增加,并加快·OH的产生速度。催化剂活性研究表明,与Fe2O3/γ-Al2O3催化剂相比,催化剂Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3的催化活性提高了10%左右。但Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3催化剂在使用过程中Ce的溶出较为严重。为了进一步提高Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3催化剂的催化活性并抑制Ce的溶出,采用Ti对其进行改性处理,制备了Fe2O3-CeO2-TiO2/γ-Al2O3催化剂。催化剂的结构分析表明,在Fe2O3-CeO2-TiO2/γ-Al2O3催化剂中,Ti的掺杂起到了结构助剂的作用,它能够使催化剂表面的活性组分颗粒粒径更小,分散更加均匀。同时,催化剂中Ce和Ti以CeO2+TiO2复合氧化物的形式存在,从而

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的研究背景
• 1.2 催化湿式氧化技术的研究现状和发展方向
• 1.2.1 催化湿式氧化技术及其反应机理与反应动力学
• 1.2.2 催化湿式氧化技术的研究现状
• 1.2.3 催化湿式氧化技术的发展方向
• 1.3 染料及印染废水的处理研究现状和发展方向
• 1.3.1 染料及印染废水的来源、特点及危害
• 1.3.2 染料及印染废水的处理研究现状
• 1.4 移动床生物膜反应器（MBBR）的研究现状
• 1.4.1 移动床生物膜反应器概述
• 1.4.2 移动床反应器工作原理
• 1.4.3 移动床生物膜法的国内外研究现状
• 1.5 本论文的研究目的和研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 化学试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 催化剂的制备方法
• 2.4 催化剂的表征方法
• 2.5 催化氧化实验方法
• 2.6 水样的分析方法
• 2.7 生物处理实际染料废水实验方法
• 2O₃/γ-Al₂0₃催化剂的制备及催化性能研究'>第3章 Fe₂O₃/γ-Al₂0₃催化剂的制备及催化性能研究
• 3.1 常温常压CWO工艺中催化剂制备的可行性研究
• 3.1.1 活性组分和氧化剂的选择
• 3.1.2 载体的选择
• 2O₃/γ-Al₂0₃催化剂的制备工艺优化'>3.2 Fe₂O₃/γ-Al₂0₃催化剂的制备工艺优化
• 3.2.1 浸渍液浓度对催化剂活性的影响
• 3.2.2 浸渍温度对催化剂活性的影响
• 3.2.3 浸渍时间对催化剂活性的影响
• 3.2.4 催化剂焙烧温度对催化剂活性的影响
• 3.2.5 催化剂焙烧时间对催化剂活性的影响
• 2O₃/γ-Al₂0₃催化剂的表征'>3.3 Fe₂O₃/γ-Al₂0₃催化剂的表征
• 3.3.1 BET测试结果分析
• 3.3.2 SEM测试结果分析
• 3.3.3 XRF测试结果分析
• 3.3.4 XRD表征结果分析
• 3.3.5 XPS表征结果分析
• 2O₃/γ-Al₂0₃催化剂的催化活性研究'>3.4 Fe₂O₃/γ-Al₂0₃催化剂的催化活性研究
• 3.4.1 催化剂加入量对处理效果的影响
• 2O₂加入量对处理效果的影响'>3.4.2 H₂O₂加入量对处理效果的影响
• 3.4.3 溶液pH值对处理效果的影响
• 3.4.4 染料初始浓度对处理效果的影响
• 3.4.5 常温常压CWPO工艺处理模拟偶氮染料废水
• 3.4.6 常温常压CWPO工艺与Fenton工艺处理效果的对比
• 2O₃/γ-Al₂0₃催化剂中金属的溶出研究'>3.5 Fe₂O₃/γ-Al₂0₃催化剂中金属的溶出研究
• 3.6 本章小结
• 2O₃-CeO₂/γ-Al₂0₃催化剂的制备及催化性能研究'>第4章 Fe₂O₃-CeO₂/γ-Al₂0₃催化剂的制备及催化性能研究
• 2O₃-Ceo₂/γ-Al₂0₃催化剂的制备'>4.1 Fe₂O₃-Ceo₂/γ-Al₂0₃催化剂的制备
• 4.1.1 浸渍液浓度对催化剂活性的影响
• 4.1.2 焙烧温度对催化剂活性的影响
• 4.1.3 焙烧时间对催化剂活性的影响
• 2O₃-CeO₂/γ-Al₂0₃催化剂的表征'>4.2 Fe₂O₃-CeO₂/γ-Al₂0₃催化剂的表征
• 4.2.1 BET测试结果分析
• 4.2.2 SEM测试结果分析
• 4.2.3 XRF测试结果分析
• 4.2.4 XRD表征结果分析
• 4.2.5 XPS表征结果分析
• 2O₃-CeO₂/γ-Al₂0₃催化剂的催化活性研究'>4.3 Fe₂O₃-CeO₂/γ-Al₂0₃催化剂的催化活性研究
• 2O₃-CeO₂/γ-Al₂0₃催化剂中金属的溶出研究'>4.4 Fe₂O₃-CeO₂/γ-Al₂0₃催化剂中金属的溶出研究
• 4.5 本章小结
• 2O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂O₃催化剂的制备及催化性能研究'>第5章 Fe₂O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂O₃催化剂的制备及催化性能研究
• 2O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂O₃催化剂的制备'>5.1 Fe₂O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂O₃催化剂的制备
• 5.1.1 Ti掺杂量对催化剂活性的影响
• 5.1.2 焙烧温度对催化剂活性的影响
• 5.1.3 焙烧时间对催化剂活性的影响
• 2O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的表征'>5.2 Fe₂O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的表征
• 5.2.1 BET测试结果分析
• 5.2.2 SEM表征结果分析
• 5.2.3 XRF测试结果分析
• 5.2.4 XRD表征结果分析
• 5.2.5 XPS表征结果分析
• 2O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的催化活性'>5.3 Fe₂O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的催化活性
• 2O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂中的金属溶出研究'>5.4 Fe₂O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂中的金属溶出研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 CWAO工艺处理偶氮染料废水及相关机理研究
• 6.1 CWAO工艺降解偶氮染料废水的实验研究
• 6.2 CWAO降解偶氮染料废水的动力学研究
• 6.3 CWAO工艺中染料的降解产物分析
• 6.3.1 AO52 的降解产物分析
• 6.3.2 AO7 的降解产物分析
• 6.3.3 R85 的降解产物分析
• 6.3.4 染料的降解历程分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 催化剂的失活原因及再生方法研究
• 2O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的失活原因分析'>7.1 Fe₂O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的失活原因分析
• 7.1.1 活性组分流失量测试
• 7.1.2 XRF测试结果分析
• 7.1.3 XPS表征结果分析
• 7.1.4 BET测试结果分析
• 2O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的再生研究'>7.2 Fe₂O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的再生研究
• 2O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的表征'>7.3 再生Fe₂O₃-CeO₂-TiO₂/γ-Al₂0₃催化剂的表征
• 7.3.1 XRF测试结果分析
• 7.3.2 XPS表征结果分析
• 7.3.3 BET测试结果分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 CWAO与生物膜技术耦合处理染料废水的实验研究
• 8.1 生物膜反应器的启动及运行条件优化
• 8.1.1 生物膜反应器的启动
• 8.1.2 生物膜反应器运行条件优化
• 8.1.3 生物膜反应器稳定运行时的性能
• 8.2 CWAO与生物膜反应器耦合工艺处理染料废水的研究
• 8.2.1 生物膜＋CWAO耦合工艺的处理效果
• 8.2.2 CWAO＋生物膜耦合工艺的处理效果
• 8.2.3 几种处理工艺对染料废水处理效果的对比
• 8.3 本章小结
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历