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固定式TiO_2光催化/生物联合降解内分泌干扰素—双酚A

作　者: 任典君
导　师: 夏四清；王荣昌
学　校: 同济大学
专　业: 环境工程
关键词: 双酚A TiO2 光催化氧化生物降解联合处理工艺水平旋流式光催化反应器
分类号: X505
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

作为重要的化工原料,双酚A随着其大量的使用越来越多的进入到环境中。并且由于其难降解性在环境中积累并经由生物积累效应进入人体:对人体健康和水质安全构成了巨大的威胁。当前对双酚A的控制技术主要集中在生物处理方面,然而当前污水处理厂中设置的常规的处理工艺无法有效降解这些难生物降解污染物质。本文在生物处理的基础上,提出了利用光催化氧化技术和生物处理技术联合处理双酚A的设想并进行了探索和研究。光催化/生物联合技术是一种相对于纯生物降解更为优越的处理技术,其原因在于:光催化能够将难生物降解物质分解为易生物降解的小分子物质;然后再由微生物对这些小分子物质进行有效的生物降解。与以往的光催化和生物降解的协作处理工艺不同的是本文所提出的联合处理工艺是在同一地点、同一时间中产生作用的,而不是以往的存在先后顺序的协作处理工艺。本文首先对TiO₂的固定化工艺进行了研究。考虑到反应器内载体的悬浮需要,选取了聚氨酯泡沫为催化剂载体。为了在这种不耐高温的载体上固定TiO₂而试验了多种不同的固定化方法。并通过对固定化TiO₂载体的表观形态、光催化的性能、固定化TiO₂晶体的晶相、TiO₂表面微观形态等方面对不同工艺进行考察。同时还对降解过程的动力学进行分析来验证考察的结果。结果表明:微波辅助液相沉积法固定TiO₂的效果最佳。所制各的载体表面TiO₂分布均匀、细致;TiO₂是锐钛型和金红石型的混晶体系;180分钟内罗丹明B的降解率在80%左右。重复试验6次,没有发现明显的TiO₂脱落,降解率基本保持不变,有较好的使用寿命。为了实现光催化和生物的联合降解,本文还研制了一种新型的光催化反应器——水平旋流式光催化反应器（Horizontal Circulating Bed PhotocatalyticReactor,HCBPR）。该反应器结合了旋转式反应器和三相式流化床反应器的优点。载体在气流和水流推动下沿中心布置的紫外灯管旋转,能够与污染物质有效的进行接触和降解;适量的曝气还提供了微生物生存所需要的条件;聚氨酯泡沫载体的多孔结构微生物提供了必要的屏障,使得微生物能够在紫外光和羟基自由基的双重胁迫下仍然生长。通过对该反应器的水力混合特性的研究,认为当曝气量为0.1m³/h条件下,具有最小的死区率和较好的水力混合程度。其次,对双酚A在HCBPR反应器内的光催化降解过程进行了考察。对初始双酚A浓度、初始pH值、催化剂投加量（填充比）、反应温度四个指标的考察结果表明:当初始双酚A浓度为10mg/L、初始pH值为碱性条件、填充比为1%下双酚A具有最高的降解率,可以达到100%。此外反应温度对降解率的影响不是很大。然后,在HCBPR反应器中考察了光催化/生物联合降解双酚A的降解过程。在单独的曝气反应器内先是进行了TiO₂载体的生物挂膜和驯化。经过约15天的接种,总生物量经历了先下降再回升并趋于平稳的变化过程,表明接种成功。随后在HCBPR反应器内考察双酚A的降解率变化。在不同运行条件下,依次经历了光降解、光催化降解、光催化/生物降解Ⅰ、生物降解Ⅰ、光催化生物降解Ⅱ和生物降解Ⅱ六个阶段。结果表明,在生物降解的辅助作用下,双酚A的降解率比纯光催化提高了10%左右。虽然受到紫外光辐射和羟基自由基毒害作用,微生物依然存活并进行了新陈代谢作用,表现为COD值的显着下降和双酚A降解率的提高。因此这说明在该反应器内的确实现了光催化/生物的同时同地的联合处理作用。进一步的观察发现,微生物的耐受性在经过光照/无光照的反复阶段后有一定的提高。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
第一章绪论  15-25
  1.1 光催化氧化技术  15-18
    1.1.1 引言  15-16
    1.1.2 TiO_2光催化原理  16-17
    1.1.3 TiO_2光催化氧化的发展与应用  17-18
  1.2 环境内分泌干扰素  18-22
    1.2.1 环境内分泌干扰素的概念  18-19
    1.2.2 双酚A的存在及性质  19-20
    1.2.3 双酚A的毒性  20
    1.2.4 双酚A的处理方法  20-22
  1.3 课题研究目的及研究内容  22-25
    1.3.1 课题来源  22
    1.3.2 课题研究目的  22
    1.3.3 课题研究内容  22-25
第二章催化剂的固定与表征  25-49
  2.1 引言  25-30
    2.1.1 TiO_2的固定化方法  25-27
    2.1.2 TiO_2负载所用的载体  27-28
    2.1.3 TiO_2的晶体结构  28-30
  2.2 实验部分  30-35
    2.2.1 光催化剂载体的选择  30
    2.2.2 实验药品及仪器  30-31
    2.2.3 样品的制备  31-33
    2.2.4 TiO_2晶相表征  33-34
    2.2.5 光催化性能表征  34-35
  2.3 分析与讨论  35-46
    2.3.1 样品的表观特征  35-36
    2.3.2 光催化性能表征  36-39
    2.3.3 TiO_2晶相分析  39-42
    2.3.4 TiO_2表面微观形貌  42-44
    2.3.5 光催化降解罗丹明B的动力学研究  44-45
    2.3.6 负载TiO_2催化剂的使用寿命  45-46
  2.4 结论  46-49
第三章水平旋流式光催化反应器的结构设计与水力学特性  49-65
  3.1 光催化反应器的结构形式  49-53
  3.2 RTD模型  53
  3.3 数据的无因次化处理  53-55
  3.4 HCBPR反应器的设备要点  55-56
    3.4.1 紫外灯组件  55
    3.4.2 反应器的形状  55-56
    3.4.3 曝气装置的布置  56
    3.4.4 水路的设置  56
    3.4.5 光源的相对位置  56
  3.5 RTD水力学特性实验方案  56-57
  3.6 HCBPR反应器参数的确定  57-58
    3.6.1 紫外灯管  57
    3.6.2 反应器  57
    3.6.3 光源的相对位置  57-58
  3.7 反应器的建立  58-61
  3.8 RTD实验分析与讨论  61-64
    3.8.1 试验结果  61-63
    3.8.2 曲线特征分析  63
    3.8.3 水力死区及离散数分析  63-64
  3.9 结论  64-65
第四章连续流光催化降解双酚A  65-81
  4.1 光催化降解的影响因素  65-67
    4.1.1 温度  65
    4.1.2 初始pH  65
    4.1.3 催化剂浓度  65-66
    4.1.4 初始污染物浓度  66
    4.1.5 光照强度  66-67
  4.2 实验试剂与设备  67
    4.2.1 实验试剂  67
    4.2.2 分析设备  67
  4.3 实验方法  67-70
    4.3.1 双酚A的定量  67-69
    4.3.2 试验影响因素  69-70
    4.3.3 取样方法  70
    4.3.4 双酚A降解动力学  70
  4.4 分析与讨论  70-79
    4.4.1 初始BPA浓度  70-72
    4.4.2 初始pH值  72-74
    4.4.3 催化剂的量  74-76
    4.4.4 温度  76-78
    4.4.5 降解的矿化过程  78-79
  4.5 结论  79-81
第五章光催化与生物联合处理BPA  81-91
  5.1 引言  81
  5.2 实验药品及设备  81
  5.3 实验方法与步骤  81-83
    5.3.1 TiO_2光催化剂的固定  81-82
    5.3.2 光催化剂载体的生物接种  82
    5.3.3 光催化生物联合降解试验  82-83
    5.3.4 反应器沿程的浓度变化  83
  5.4 分析与讨论  83-89
    5.4.1 醋酸钠的光降解  83-84
    5.4.2 载体挂膜  84
    5.4.3 光催化-生物联合降解双酚A  84-87
    5.4.4 水力停留时间的影响  87-88
    5.4.5 降解过程中双酚A沿程浓度变化  88-89
  5.5 结论  89-91
第六章结论与建议  91-95
  6.1 结论  91-92
  6.2 建议  92-95
致谢  95-97
参考文献  97-107
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  107

固定式TiO_2光催化/生物联合降解内分泌干扰素—双酚A

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