光催化膜反應(yīng)器和光電催化反應(yīng)器對天然有機(jī)物富里酸的降解機(jī)理與動力學(xué)研究.pdf

1、水中天然有機(jī)物(Natural Organic Matter,NOM)對水質(zhì)及水處理過程有重要的影響.天然有機(jī)物的存在往往使水體呈現(xiàn)顏色,氯消毒時生成消毒副產(chǎn)物,且不能被常規(guī)飲用水工藝有效的去除,因此開展水中天然有機(jī)物的去除研究具有十分重要的意義.本文以水中天然有機(jī)物富里酸(Fulvic acid,FA)為目標(biāo),研究富里酸光催化氧化和光電催化氧化的降解機(jī)理和反應(yīng)動力學(xué),并對富里酸破壞前后影響三氯甲烷生成潛能的機(jī)理做了探討. 在光

2、催化劑篩選過程中,對比了粉末態(tài)P25和顆粒狀納米結(jié)構(gòu)TiO<,2>的光催化性能.研究結(jié)果表明,顆粒狀納米結(jié)構(gòu)TiO<,2>催化劑不僅具有較高的活性,而且沉降I生能良好.比較了這兩種光催化劑在淹沒式膜光催化反應(yīng)器中對微濾膜的過濾性能,通過對比膜通量變化和P25粉末在溶液中粒度分布變化及其在膜表面SEM圖分析,可以得出P25粉末易在膜表面的沉積造成膜的污染.投加顆粒狀光催化劑可有效延緩膜的污染,長時間維持膜的高通量運(yùn)行.從富里酸的光催化反應(yīng)

3、動力學(xué)推導(dǎo)可知,FA在低濃度時符合一級反應(yīng)動力學(xué)模式,其顆粒狀納米結(jié)構(gòu)TiO<,2>反應(yīng)速率常數(shù)為0.0117min<'-1>. 將顆粒狀納米結(jié)構(gòu)TiO<,2>光催化氧化技術(shù)與膜分離技術(shù)有效結(jié)合,開發(fā)出兩類光催化膜反應(yīng)器,即外置式膜光催化反應(yīng)器(RMPR)和淹沒式膜光催化反應(yīng)器(SMPR).經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證兩類反應(yīng)器基本符合全混流反應(yīng)器模型. 利用外置式膜光催化反應(yīng)器對富里酸氧化降解的結(jié)果表明,該反應(yīng)器不但能有效去除水中富里酸

4、,而且可以將顆粒狀光催化劑與液體完全分離并返回光催化單元,重復(fù)循環(huán)使用.首次將添加劑過硫酸鉀(PP)引入影響富里酸光催化氧化因素之中并建立起TiO<,2>投加量、添加劑濃度、光強(qiáng)的動力學(xué)模型.粉末態(tài)光催化劑P25和顆粒狀光催化劑在錯流式超濾外置式膜光催化反應(yīng)器中均對膜通量的影響較小. 對于淹沒式膜光催化反應(yīng)器而言,顆粒狀催化劑的最佳投加量為0.5g/L,富里酸在酸性條件和曝氣強(qiáng)度為18.75 m<'3>/m<'3>·h下反應(yīng)2h

5、可以獲得73﹪的TOC去除率,同時建立起富里酸TOC去除率與平均停留時間的關(guān)系,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證理論值與試驗(yàn)值符合較好.在恒定的處理量和操作條件下,經(jīng)過120h的連續(xù)處理試驗(yàn),富里酸的降解率穩(wěn)定,顆粒狀催化劑不但可以完全被分離,且顆粒狀光催化劑在反復(fù)使用時具有很好的機(jī)械強(qiáng)度和光催化活性. 用響應(yīng)面方法對多孔Ti/ZiO<,2>光電降解富里酸的過程進(jìn)行了優(yōu)化研究.通過建立影響富里酸光電催化降解的三個因素(外加偏壓V、電解質(zhì)濃度PP、溶液

6、oH值)與TOC去除率之間的二次響應(yīng)曲面模型,得到TOC去除率達(dá)最高時的最優(yōu)pH值、電解質(zhì)濃度和外加偏電壓分別為:3.8、88.40mg/L、0.88V.對響應(yīng)面方程方差分析表明該模型具有較高的回歸相關(guān)性(R<'2>=97.54﹪),且試驗(yàn)與模型預(yù)測值的相對誤差在1.3﹪-8.2﹪范圍內(nèi),與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高.另外該Ti/YiO<,2>電極的穩(wěn)定性強(qiáng),用于光電催化處理40h其光電性能變化不大.因而光電催化氧化技術(shù)可用于處理含有一定電解

7、質(zhì)的低濃度富里酸溶液. 對富里酸氧化前后影響三氯甲烷生成潛能做了機(jī)理探討,考察了需氯量、THMs、EEMs的變化.隨著富里酸TOC濃度的增加,三氯甲烷生成量逐漸增大,依據(jù)色-質(zhì)聯(lián)機(jī)圖譜變化分析富里酸氧化前后氯化過程,經(jīng)過2h的光電催化降解,THMs生成能可被減少約81﹪.熒光光譜圖也充分說明了經(jīng)過光電催化氧化,富里酸溶液的熒光光強(qiáng)明顯減弱,腐殖化程度降低,因此通過光電催化氧化可有效破壞富里酸的結(jié)構(gòu)使得氯化過程產(chǎn)生的DBPs量大大