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均相和非均相高级氧化技术处理水中有机污染物的研究

张文兵

  有机污染是当今水污染的一个重要特点。对被污染的地表水、地下水以及含有生物降解或非生物降解有机污染物的废水进行化学处理,可以消除水中这些有害物质,改善饮用水水资源质量。高级氧化技术,是以强氧化性的羟基自由基为主要氧化剂的水处理技术,在处理受有机污染的水体中有着广泛的应用前景,这是因为高级氧化技术能把有机物完全转化为水、二氧化碳和无机盐,并且对大部分有机物都有效,所用氧化剂最终分解为无害物质。目前,高级氧化技术在水处理中应用的研究十分活跃。硝基苯和4-硝基苯酚具有致癌、致突变性,是工农业废水中常见的有毒难降解有机物。喹啉是典型的氮杂环化合物,具有潜在的致畸和致癌性,由于工业废水、废弃物的排放,喹啉已成为土壤和地下水中常见的污染物之一。本文以UV/H_2O_2均相高级氧化技术及TiO_2光电催化非均相氧化技术为例,选择硝基苯、4-硝基苯酚、喹啉和活性艳橙K-R等为目标化合物,对均相和非均相高级氧化技术处理水中有机污染物进行研究。均相高级氧化技术方面,论文首次系统地研究了UV/H_2O_2均相高级氧化体系对硝基苯、4-硝基苯酚和喹啉的降解,详细探讨了有机物的降解动力学、各种动力学影响因素对有机物降解的影响以及有机物的降解途径。主要认识与结论如下:(1)UV、H_2O_2及UV/H_2O_2对照实验表明,UV/H_2O_2体系中过氧化氢光解产生的羟基自由基是硝基苯、4-硝基苯酚和喹啉降解的直接原因。UV/H_2O_2体系对硝基苯、4-硝基苯酚和喹啉的降解可以用准一级动力学进行很好的描述。(2)硝基苯和4-硝基苯酚在酸性条件下更有利于降解,而喹啉的降解速率随溶液pH值的增加而增加。在较低浓度范围内,随着过氧化氢浓度的增加,硝基苯、4-硝基苯酚和喹啉降解速率显著增加;但当过氧化氢浓度较大时,有机物的降解速率明显受到抑制。水体中存在的常见无机阴离子如HCO_3~-、NO_3~-、Cl~-等对有机物的降解反应呈负影响。(3)TOC与目标化合物对比分析表明,UV/H_2O_2降解过程中,有机物不是直接被矿化,而是经过一系列的中间产物进行的;溶液酸度的变化说明氧化过程中有有机酸等酸性物质的产生。(4)硝基苯在氧化过程中得到的中间产物包括:单羟基化合物,如苯酚、硝基苯酚等;多羟基化合物,如氢醌,二羟基苯,二羟基硝基苯,三羟基苯等;开环产物,如乙胺,2-丁烯二酸和2-羟基己二酸等;一些氧化副产物,如1,3-二硝基苯,4,4 -二硝基联苯。4-硝基苯酚在降解过程中得到的中间产物包括:氢醌,二羟基硝基苯,三羟基苯以及开环产物2-丁烯二酸等。喹啉降解时得到多个单羟基喹啉化合物,但以苯环上取代得到的8-和5-羟基喹啉为主;并检测到多个多摘 要羟基喳咐化合物的存在,如二羟基喷淋和三羟基喳协 喷淋开环产物主要包括2一胶基苯甲酸和IH2,3一咏叹二酮。非均相高级氧化技术方面,在前人研究的基础上,建立了一个连续循环流式光电催化反应器,并以活性艳橙K-R和喷淋为目标化合物,研究了三维电极光电催化氧化对有机物的去除效率。主要结论如下:*)与吸附、光催化、电氧化相比,三维电极光电催化氧化不仅能更有效地除去溶液中的活性艳橙K-R和咳嗽,而且TOC的变化也表明其矿化效率比其它体系高,这说明三维电极的使用可以显著提高有机物的光催化氧化效率。c沙加电压的增加,对活性艳橙KK和喷淋的氧化起着促进作用。溶液中NaCI浓度的增加,有利于提高有机物的氧化效率。较低pH条件时有利于活性艳橙KK的降解,而喳琳在较高pH条件下降解速率更大。增加空气流速,可以明显提高活性艳橙Kl和喷淋的降解速率,但空气流速过大,反而使有机物降解变慢。喷琳在无氧条件时光电催化氧化效率比光催化的高,表明光电催化氧化在无氧时也可进行。但与通人氮气相比,通入氧气时对光电催化氧化仍然具有促进作用。本研究成果丰富了高级氧化技术的理论,并为该项技术在饮用水的深度处理、提高饮用水水质等方面的实际应用奠定了基础。……   
[关键词]:硝基苯;4-硝基苯酚;喹啉;均相高级氧化;非均相高级氧化;UV/H_2O_2;光电催化;三维电极;降解动力学;降解机理
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)2003年
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