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臭氧及催化臭氧化降解苯乙酮

作　者: 张华
导　师: 童少平
学　校: 浙江工业大学
专　业: 应用化学
关键词: 催化臭氧苯乙酮 Rct CuO-Ru /Al2O3催化剂蜂窝陶瓷 Ti4+
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2010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经验,重点探讨了近年来发展起来的金属及金属氧化物催化臭氧化技术。基于臭氧水处理领域的研究现状和一些不足,提出了本论文的研究目的和主要任务。本论文的研究内容主要包括三部分:单独臭氧化降解苯乙酮的动力学及机制研究;自制催化剂CuO-Ru/Al₂O₃催化臭氧化降解苯乙酮的研究;蜂窝陶瓷催化臭氧化降解苯乙酮及其催化机制研究。在第四章中,研究了臭氧化降解苯乙酮的效率,利用相对法求算了苯乙酮与臭氧及羟基自由基的反应速率常数。结果表明,臭氧化处理能有效降解水中苯乙酮,苯乙酮与臭氧的反应速率常数为（0.163±0.036） L·mol^-1·s^-1,与羟基自由基的反应速率常数为7.07×109 L·mol^-1·s^-1。不同pH的试验表明,利用测得的两个反应速率常数能很好地预测苯乙酮的降解动力学。气相色谱-质谱联用仪（GC/MS）和离子色谱（IC）的分析结果显示,臭氧化降解苯乙酮的中间产物主要包括苯酚、邻羟基苯乙酮、酒石酸、乙酸和草酸等物质。在第五章中,采用浸渍法制备了以活性Al₂O₃为载体的双组分催化臭氧化催化剂CuO-Ru/Al₂O₃,并利用该催化剂催化臭氧化降解了苯乙酮。结果表明,贵金属钌的掺杂能显著提高CuO/Al₂O₃催化臭氧化苯乙酮的去除效率。pH对CuO-Ru/Al₂O₃催化臭氧化降解苯乙酮的效率并没有显著影响。但与单独臭氧化相比,该催化体系更加适合在中性或酸性条件下应用。CuO-Ru/Al₂O₃对水中臭氧有较好的催化分解活性,臭氧分解的速率常数（）达2.58×10^-3 s^-1,高于二次水中臭氧的分解速率常数1.19×10^-3 s^-1。叔丁醇的试验结果表明,O₃/CuO-Ru/Al₂O₃降解苯乙酮反应遵循羟基自由基（·OH）反应机制。CuO-Ru/Al₂O₃在催化降解草酸过程中也显示了较好的催化臭氧化性能。在第六章中,研究了蜂窝陶瓷对臭氧化降解苯乙酮效率的影响。结果表明,蜂窝陶瓷显著提高了臭氧化降解苯乙酮的效率,叔丁醇的试验表明该体系遵循·OH氧化机理。蜂窝陶瓷催化臭氧化降解苯乙酮的动力学可分为二个阶段,第一阶段的表观动力学常数为8.77×10-4 s^-1, Rct为0.10×10-8;第二阶段的表观动力学常数为4.63×10^-3 s^-1, Rct为1.72×10-8。经分析表明,降解过程中蜂窝陶瓷催化剂中Ti⁴⁺的溶出是苯乙酮降解效率提高的主导因素。直接利用Ti⁴⁺催化臭氧化体系降解苯乙酮的结果表明,相同条件下Ti⁴⁺的加入使体系COD降解率要比单独臭氧化体系提高近62.8%,该结果较好地证实了蜂窝陶瓷催化臭氧化体系的上述机理。单独臭氧、Ti⁴⁺/O₃和Ti⁴⁺/H₂O₂/O₃降解乙酸的实验结果表明,Ti⁴⁺和H₂O₂的组合应用是蜂窝陶瓷催化臭氧化降解有机物效率提高的关键因素。酸性条件下分析水中溶解臭氧的衰减速率表明,Ti⁴⁺/H₂O₂能够在强酸性条件下催化分解水中的溶解臭氧。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章前言  12-13
第二章文献综述  13-37
  2.1 臭氧的发现及其物理化学性质  13-16
    2.1.1 臭氧的发现及制备  13
    2.1.2 臭氧的物理化学性质  13-15
    2.1.3 羟基自由基(·OH)的性质  15-16
    2.1.4 臭氧与无机物和有机物的反应  16
  2.2 臭氧在水处理上的应用  16-18
    2.2.1 水中臭氧的化学性质  16-18
    2.2.2 臭氧水处理过程的物理化学原理  18
  2.3 臭氧氧化的反应动力学  18-21
    2.3.1 直接反应速率常数的确定  19-21
    2.3.2 间接反应速率常数的确定  21
  2.4 单独臭氧化水处理的缺陷  21-22
  2.5 臭氧水处理单元自身的发展  22-31
    2.5.1 高级氧化技术(AOP)  22-24
    2.5.2 H_20_2/0_3 水处理体系  24
    2.5.3 UV/0_3 处理技术  24-25
    2.5.4 金属催化臭氧化技术  25-31
      2.5.4.1 均相金属催化臭氧化  25-26
      2.5.4.2 多相金属催化臭氧化  26-31
  2.6 本论文研究目的和主要任务  31
  参考文献  31-37
第三章实验部分  37-44
  3.1 实验原料和仪器  37-38
    3.1.1 实验原料  37
    3.1.2 实验仪器  37-38
  3.2 实验装置流程  38
  3.3 实验分析  38-41
    3.3.1 气相臭氧浓度的测定  38-39
    3.3.2 液相中臭氧浓度的测定  39-40
    3.3.3 H_20_2 化学分析法[K_2TiO(C_20_4)2·2H_20]  40
    3.3.4 甲酸、乙酸和草酸浓度的测定  40-41
    3.3.5 苯乙酮和硝基苯浓度的测定  41
    3.3.6 催化剂表征  41
    3.3.7 化学耗氧量(COD)的测定  41
    3.3.8 溶液pH的测定  41
  3.4 实验方法  41-43
    3.4.1 反应体系Rct的物理意义及求算方法  41-42
    3.4.2 有机物(M)与臭氧和羟基自由基反应速率常数的测定  42-43
  参考文献  43-44
第四章臭氧化降解苯乙酮的动力学及机制研究  44-54
  引言  44
  4.1 实验内容  44
  4.2 结果与讨论  44-51
    4.2.1 气体流量对苯乙酮降解效果的影响  44-45
    4.2.2 苯乙酮与臭氧和羟基自由基反应速率常数的测定  45-48
    4.2.3 臭氧化降解苯乙酮的表观动力学特性  48-50
    4.2.4 pH值对Rct值的影响  50
    4.2.5 臭氧化降解苯乙酮的中间产物及降解机理  50-51
  4.3 结论  51-52
  参考文献  52-54
第五章 CuO-Ru/A120_3催化臭氧化降解苯乙酮的研究  54-65
  引言  54
  5.1 实验内容  54-55
    5.1.1 实验装置说明  54-55
    5.1.2 催化剂的制备  55
  5.2 结果与讨论  55-61
    5.2.1 进气臭氧浓度对催化臭氧化苯乙酮去除效率的影响  55-56
    5.2.2 CuO-Ru/A120_3 催化臭氧化降解苯乙酮  56-57
    5.2.3 pH对0_3/CuO-Ru/A120_3 降解苯乙酮的影响  57-58
    5.2.4 0_3/CuO-Ru/A120_3 体系pH和乙酸含量随时间的变化  58-59
    5.2.5 CuO-Ru/A120_3 催化臭氧化机制的初步研究  59-61
    5.2.6 CuO-Ru/A120_3 催化臭氧化降解草酸  61
  5.3 结论  61-62
  参考文献  62-65
第六章蜂窝陶瓷催化臭氧化苯乙酮的研究  65-77
  引言  65
  6.1 实验内容  65-66
  6.2 结果与讨论  66-74
    6.2.1 蜂窝陶瓷XRD表征  66
    6.2.2 臭氧产量对催化臭氧化苯乙酮效率的影响  66-67
    6.2.3 不同氧化体系下苯乙酮的降解效果  67-68
    6.2.4 蜂窝陶瓷催化臭氧化苯乙酮的机制及动力学特性  68-70
    6.2.5 蜂窝陶瓷稳定性测试  70-71
    6.2.6 Ti~(4+)催化臭氧化反应的研究机理初步探讨  71-73
    6.2.7 Ti~(4+)/H_20_2/0_3 氧化体系的作用机理初步探讨  73-74
  6.3 结论  74-75
  参考文献  75-77
总结与展望  77-79
致谢  79-80
攻读学位期间发表的学术论文目录  80

臭氧及催化臭氧化降解苯乙酮

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