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催化臭氧化水中有机物机理研究

作　者: 王梓
导　师: 童少平
学　校: 浙江工业大学
专　业: 应用化学
关键词: 臭氧催化臭氧化降解紫外二价铁离子苯酚二氧化锰苯甲酸钠
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文首先综述了臭氧的物理化学性质和在水处理方面的应用,提出了本论文的研究目的.研究内容主要包括四部分:O₃/UV催化臭氧化降解水中有机物的机理研究;Fe²⁺/Fe³⁺均相催化臭氧化苯酚的研究;MnO₂催化臭氧化降解苯甲酸钠.第三章中,实验研究了O₃/UV催化臭氧化降解水中有机物的机理.初步证实O₃/UV产生HO·的作用机理为:O₃+H2O→H₂O₂+O₂;H₂O₂→2·OH.UV能够促使溶解臭氧产生H₂O₂,进而生成羟基自由基,当对H₂O₂水溶液鼓O₂时,UV对H₂O₂的分解作用明显加快.在O₃/UV降解技术中,当目标有机物是对自由基链反应具有较好促进作用的乙醇酸时,即使是较弱的引发反应,也能使乙醇酸很好地降解;而当目标有机物是对自由基链反应具有抑制作用的乙酸时,引发足够量的羟基自由基（OH-,H₂O₂）是乙酸得到较好降解的必要条件.目标有机物（如芳族类和带不饱和键的化合物）在臭氧化过程中形成中间产物H₂O₂是O₃/UV降解效率提高的关键因素,其直接导致体系形成O₃/H₂O₂和H₂O₂/UV这2种高级氧化技术,从而提高体系产生羟基自由基的效率.第四章的研究结果表明,在一定条件下,在苯酚的臭氧化降解过程中,臭氧分子与苯酚及苯氧负离子的直接反应是苯酚降解的主要原因.Fe²⁺和Fe³⁺对臭氧化降解苯酚均具有催化作用,其中Fe²⁺的催化效果更佳.Fe²⁺催化降解苯酚的机理是:苯酚在臭氧化降解过程中产生了H₂O₂,分别同臭氧和Fe²⁺形成了O₃/H₂O₂和Fenton体系,促进了苯酚的去除.不同体系R_ct的大小:O₃/Fe²⁺＞O₃/Fe³⁺＞_O3.这个结果也与苯酚的降解效果相一致.第五章的研究结果表明,单独使用臭氧降解苯甲酸钠时,虽然在一定条件下苯甲酸钠可以被完全降解,但体系COD仍有较高的残留.加入MnO₂对COD的去除有明显的提高（由原来的79%提高到94%）,显示了较好的催化性能.O₃/MnO₂体系的R_ct大于单独臭氧化.MnO₂催化臭氧化降解苯甲酸钠的机理是:MnO₂和草酸形成了草酸锰复合物,提高了臭氧对小分子有机酸的反应活性,致使反应溶液pH升高,进而加速臭氧分解.通过加入自由基猝灭剂,发现·OH也是提高体系矿化率的重要原因.

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章文献综述  11-39
  前言  11
  1.1 臭氧的物理化学性质  11-13
  1.2 臭氧与无机物和有机物的反应  13
  1.3 臭氧在水处理上的应用  13-22
    1.3.1 水中臭氧的化学性质  13-15
    1.3.2 臭氧水处理过程的物理化学原理  15-16
    1.3.3 臭氧的消毒作用  16-17
    1.3.4 臭氧对水中色,嗅,味的去除  17
    1.3.5 臭氧对氰离子,铁和锰等无机物的去除  17-18
    1.3.6 臭氧对水中有机物的去除  18-20
    1.3.7 单独臭氧化水处理的缺陷  20-22
  1.4 臭氧处理与其它水处理单元相结合  22-24
    1.4.1 臭氧+生化处理工艺  22-23
    1.4.2 臭氧+絮凝处理工艺  23-24
    1.4.3 臭氧+膜处理工艺  24
  1.5 臭氧水处理单元自身的发展  24-30
    1.5.1 高级氧化技术(AOP)  24-25
    1.5.2 H_2O_2/O_3水处理体系  25-26
    1.5.3 UV/O_3处理技术  26-27
    1.5.4 金属催化臭氧化技术  27-30
  1.6 研究的目的和意义  30-33
  参考文献  33-39
第二章实验部分  39-46
  2.1 实验试剂与仪器  39-40
    2.1.1 实验试剂  39
    2.1.2 实验仪器  39-40
  2.2 实验装置说明  40
  2.3 实验分析  40-45
    2.3.1 气相臭氧浓度的测定  40-41
    2.3.2 液相中臭氧浓度的测定  41-42
    2.3.3 H_2O_2化学分析法[K_2TiO(C_2O_4)_2·2H_2O]  42-43
    2.3.4 苯甲酸钠浓度的测定  43
    2.3.5 甲酸,乙酸,草酸浓度的测定  43
    2.3.6 苯酚浓度的测定[4-氨基安替比林直接分光光度法]  43
    2.3.7 Fe~(2+)和Fe~(3+)的测定[邻菲啰啉分光光度法]  43-44
    2.3.8 化学耗氧量(COD)的测定  44
    2.3.9 总有机碳(TOC)的测定  44
    2.3.10 溶液pH的测定  44
    2.3.11 反应体系R_(ct)的物理意义及求算方法  44-45
  参考文献  45-46
第三章 O_3/UV降解水中有机物机理研究  46-62
  前言  46
  3.1 实验内容  46-47
  3.2 结果与讨论  47-59
    3.2.1 O_3/UV产生·OH的2种机理探讨  47-48
    3.2.2 不同紫外灯二次蒸馏水中H_2O_2的浓度变化  48-49
    3.2.3 UV分解H_2O_2  49-51
    3.2.4 O_3/UV降解乙醇酸  51
    3.2.5 不同碳酸钠浓度对催化体系的影响  51-52
    3.2.6 O_3/UV降解乙酸  52-54
    3.2.7 O_3/H_2O_2降解乙酸,甲酸  54-57
    3.2.8 O_3/UV降解硝基苯过程中O_3、H_2O_2浓度随时间变化情况  57-59
  3.3 结论  59-60
  参考文献  60-62
第四章 Fe~(2+)/Fe~(3+)均相催化臭氧化苯酚的研究  62-79
  前言  62
  4.1 实验方法  62-63
  4.2 结果与讨论  63-75
    4.2.1 进气流量对苯酚去除率的影响  63-64
    4.2.2 催化剂Fe~(2+)的投量对苯酚的降解的影响  64-65
    4.2.3 体系pH值对苯酚降解的影响  65-67
    4.2.4 不同碳酸钠浓度对催化体系的影响  67-68
    4.2.5 催化臭氧氧化过程中Fe~(2+)和Fe~(3+)的浓度变化以及H_2O_2的生成量  68-70
    4.2.6 对比O3/Fe~(2+)和O_3/Fe~(3+)对苯酚去除率的影响  70-72
    4.2.7 苯酚臭氧化过程的动力学研究  72-73
    4.2.8 O_3/Fe~(2+)和O_3/Fe~(3+)体系R_(ct)的对比  73-75
  4.3 结论  75-76
  参考文献  76-79
第五章 MnO_2催化臭氧化降解苯甲酸钠  79-92
  前言  79-80
  5.1 实验方法  80
  5.2 结果与讨论  80-89
    5.2.1 MnO_2对O_3降解苯甲酸钠的影响  80-81
    5.2.2 反应溶液pH的变化  81-82
    5.2.3 降解过程中甲酸和草酸的浓度变化  82-85
    5.2.4 自由基猝灭剂对O_3/MnO_2体系的影响  85-88
    5.2.5 苯甲酸钠臭氧化过程的动力学研究  88-89
  5.3 结论  89-90
  参考文献  90-92
第六章总结与展望  92-93
  1.总结  92
  2.进一步工作展望  92-93
致谢  93-94
附录:攻读学位期间发表的学术论文目录  94

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