微波技术降解多氯联苯的研究

论文摘要

由于工业的飞速发展,在人们的生活水平及城市化进程日益提高的同时,大量生产和生活废水也在日益严重地污染着我们的水环境,全球八大环境问题之一的持久性有机污染物（POPs）污染受到人们的日益关注。多氯联苯（PCBs）作为内分泌干扰物质进入天然水体后对人类、环境及生态都会造成严重危害。本文在分析和评价国内外降解水相中PCBs的各种物理化学方法及外场辅助技术的研究现状的基础上,提出使用快速高效、无污染的微波作为水处理技术,并研究微波技术降解水中PCBs的降解规律,探索PCBs的降解机理及反应动力学,为该技术在实际中的应用和进一步的理论研究提供依据和参考。应用AFC环形聚焦自动耦合的单模微波系统,对影响微波辐射氧化还原技术降解PCBs的因素进行了实验研究分析,寻找最佳工艺条件;通过对Fenton试剂、NaHSO3等氧化、还原反应机理的研究,探讨微波辐射氧化还原技术处理PCBs的降解历程和机理;通过对动力学一般理论的分析研究和实验,确定该反应体系的动力学参数和动力学方程式;依据活性炭吸附—解吸理论,讨论微波辐射活性炭吸附法对PCBs降解率的影响;实验中采用紫外、红外、HPLC（高效液相色谱）技术对反应前后水中的PCBs进行定性和定量分析及确定降解产物。论文综合考察了微波功率、反应时间、水样pH值以及还原剂用量等因素对水中PCB29降解效果的影响,得到的最佳反应条件为:采用微波辐照技术处理水相中的PCB29,在微波功率480W、辐照时间3min,弱酸环境下,PCB29被降解为联苯,降解率为70%;采用微波联合NaHSO3还原技术降解水中的PCB29,在单模微波200W、反应时间2min、还原剂用量3g的条件下,PCB29被降解为联苯和联苯酚,降解率在90%以上。研究结果表明,在微波法降解PCB29为联苯酚的过程中,自由基机理和亲核取代（芳香）机理都可能发生。自由基机理为:在微波作用下水被电离为·H和·OH,·OH与NaHSO3作用生成NaHSO4和H2O。2,4,5-三氯联苯在微波热点作用下,生成4,5-二氯-2-联苯炔,联苯炔是一个不稳定的中间体,立即和水中的·H作用,生成稳定的3,4-二氯联苯,这样就脱去一个氯原子。同样的,最终得到联苯;如果联苯炔中间体和水发生加成反应,就会生成联苯酚。亲核却?多氯联苯在微波的热点效应下活性增大,与水中的氢氧根发生亲核取代,得到中间体,进一步发生脱氯反应而生成联苯酚。实验和分析得出,微波辅助NaHSO3还原PCB29的反应近似于一级反应,反应速率常数k=0.6631。传统加热方式下NaHSO3还原PCB29的反应也近似于一级反应,但反应速率常数k=0.0408。在微波作用下的反应过程中,反应物吸收微波不仅表现出“热效应”,也体现了“非热效应”的存在。微波的“热效应”使反应体系维持与传统加热方式相同的反应温度,“非热效应”则促使该反应加速进行,提高反应速率。该反应体系反映了外加电磁场的分子取向运动和分子热运动对反应体系的共同作用。采用颗粒状活性炭吸附水中的PCB29,吸附率可达80%;双模微波联合活性炭吸附技术对PCB29降解的促进效果不明显;单模微波联合活性炭吸附技术可将PCB29降解为联苯。微波辐射技术降解乙醇—水（体积比为3:2）体系中的PCB29,虽然该体系能够增大PCB29的溶解度,但微波的辐照效果不明显。微波联合Fenton试剂氧化技术可以降解乙醇—水体系中的PCB29,但降解产物中含有二噁英。考察了单模微波与双模微波对降解效果的影响,发现单模微波由于其独特的定向耦合系统和定向螺旋波导,形成一个可改变耦合孔数的环形单模谐振腔,可提供分解过程控制的精确脉冲和非脉冲连续单模耦合微波。单模微波的降解效果在反应的重现性、一致性和精确性上远远优于双模微波。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第1章 绪论
• 1.1 POPs的分类以及危害
• 1.2 课题的研究背景、意义、以及研究内容
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 国内外外场辅助技术降解水相中的POPs的研究现状
• 1.2.3 研究意义
• 1.2.4 研究内容及方法
• 第2章 理论基础及应用
• 2.1 微波化学与降解技术原理
• 2.1.1 微波化学及其发展历程
• 2.1.2 微波的加热机理
• 2.1.3 微波技术在水处理中的应用
• 2.2 活性炭吸附理论
• 2.2.1 活性炭吸附理论和规律
• 2.2.2 活性炭吸附技术在水处理中的应用
• 2.3 废水处理中的高级氧化原理
• 2.3.1 高级氧化技术理论
• 2.3.2 Fenton试剂
• 第3章 实验系统及实验方法
• 3.1 实验仪器及试剂
• 3.1.1 仪器及其型号
• 3.1.2 试剂
• 3.2 实验装置及工艺流程图
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 PCB29水溶液的配制
• 3.3.2 实验内容
• 3.3.3 分析方法及条件
• 第4章 结果与讨论
• 4.1 微波处理水相中PCB29的影响因素考察
• 4.1.1 工艺条件的优化
• 4.1.2 红外吸收光谱分析
• 4.1.3 HPLC分析
• 4.1.4 单、双模微波处理水相中多氯联苯的效果对比
• 4.1.5 小结
• 4.2 微波辅助还原技术处理水中PCB29的影响因素考察
• 4.2.1 不同实验条件下处理水相中PCB29的考察
• 4.2.2 工艺条件的优化
• 4.2.3 HPLC分析
• 4.2.4 小结
• 4.3 微波辅助活性炭吸附技术处理水相中PCB29的考察
• 4.3.1 活性炭的预处理
• 4.3.2 考察不同实验条件下PCB29的降解效果
• 4.3.3 小结
• 4.4 其他降解方法的尝试与探索
• 4.4.1 微波法处理乙醇水溶液中的PCB29的探索
• 4.4.2 PCB29醇水体系中加入氧化剂后影响因素的考察
• 4.5 本章小结
• 第5章 多氯联苯的降解历程及动力学研究
• 5.1 确定动力学参数的一般理论
• 5.2 单模微波联合还原剂技术降解水中PCB29的动力学研究
• 5.2.1 微波还原PCB29的反应机理分析
• 5.2.2 微波还原PCB29的反应动力学分析
• 5.2.3 微波法降解水中PCB29的反应动力学分析
• 5.2.4 本章小结
• 第6章 结论及建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文及参加的项目