光催化膜反應器和光電催化反應器對天然有機物富里酸的降解機理與動力學研究.pdf

1、水中天然有機物(Natural Organic Matter,NOM)對水質及水處理過程有重要的影響.天然有機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物的去除研究具有十分重要的意義.本文以水中天然有機物富里酸(Fulvic acid,FA)為目標,研究富里酸光催化氧化和光電催化氧化的降解機理和反應動力學,并對富里酸破壞前后影響三氯甲烷生成潛能的機理做了探討. 在光

2、催化劑篩選過程中,對比了粉末態(tài)P25和顆粒狀納米結構TiO<,2>的光催化性能.研究結果表明,顆粒狀納米結構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行.從富里酸的光催化反應

3、動力學推導可知,FA在低濃度時符合一級反應動力學模式,其顆粒狀納米結構TiO<,2>反應速率常數(shù)為0.0117min<'-1>. 將顆粒狀納米結構TiO<,2>光催化氧化技術與膜分離技術有效結合,開發(fā)出兩類光催化膜反應器,即外置式膜光催化反應器(RMPR)和淹沒式膜光催化反應器(SMPR).經(jīng)試驗驗證兩類反應器基本符合全混流反應器模型. 利用外置式膜光催化反應器對富里酸氧化降解的結果表明,該反應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、光強的動力學模型.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器中均對膜通量的影響較小. 對于淹沒式膜光催化反應器而言,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度為18.75 m<'3>/m<'3>·h下反應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系,經(jīng)試驗驗證理論值與試驗值符合較好.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,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使用時具有很好的機械強度和光催化活性. 用響應面方法對多孔Ti/ZiO<,2>光電降解富里酸的過程進行了優(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、電解質濃度PP、溶液

6、oH值)與TOC去除率之間的二次響應曲面模型,得到TOC去除率達最高時的最優(yōu)pH值、電解質濃度和外加偏電壓分別為:3.8、88.40mg/L、0.88V.對響應面方程方差分析表明該模型具有較高的回歸相關性(R<'2>=97.54﹪),且試驗與模型預測值的相對誤差在1.3﹪-8.2﹪范圍內,與試驗結果吻合程度較高.另外該Ti/YiO<,2>電極的穩(wěn)定性強,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可用于處理含有一定電解

7、質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-質聯(lián)機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構使得氯化過程產(chǎn)生的DBPs量大大