【摘 要】
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随着有机化工业的不断发展,工厂排放的废水成分愈加复杂,其中含有大量的难降解有机物,传统的废水处理方法难以将其有效去除。本研究依托介质阻挡放电等离子体(Dielectric barrier discharge plasma,DBDP)利用放电产生的羟基自由基(·OH)、臭氧(03)和过氧化氢(H2O2)等活性氧物质(ROS)降解水体中难降解有机污染物的特点,结合纳米金属同时具有光催化、O3和H2O2
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随着有机化工业的不断发展,工厂排放的废水成分愈加复杂,其中含有大量的难降解有机物,传统的废水处理方法难以将其有效去除。本研究依托介质阻挡放电等离子体(Dielectric barrier discharge plasma,DBDP)利用放电产生的羟基自由基(·OH)、臭氧(03)和过氧化氢(H2O2)等活性氧物质(ROS)降解水体中难降解有机污染物的特点,结合纳米金属同时具有光催化、O3和H2O2催化的多效催化优势,将纳米金属氧化物引入DBDP体系,建立纳米金属氧化物催化DBDP降解BPA的反应体系,提高DBDP体系能量利用效率的同时提高有机物的降解效率。研究首先建立了 DBDP发生装置及降解体系;继而制备纳米氧化锌(ZnO)以及纳米三氧化钨(WO3)两种纳米金属氧化物,同时对所制备的产物进行表征;以双酚A(Bisphenol A,BPA)为目标污染物,考察了不同催化剂、不同溶液参数下催化体系对BPA的降解效果,并分析BPA的降解机理及纳米金属氧化物的催化机理。具体研究结果如下:(1)制备ZnO并进行表征;以BPA为目标污染物,考察了 DBDP/ZnO体系中不同ZnO添加量、溶液pH值,载气种类、化学捕收剂对BPA的降解效果以及能量利用效率的影响并进行了相应的动力学分析,得出了催化体系对于BPA降解的较优操作条件:ZnO的最佳添加量为50 mg/L,在此条件下的催化体系对BPA的降解效果最好,与单独DBDP体系相比,提高了 17.0%;与碱性溶液相比,酸性和弱酸性溶液可以获得更高的处理效率;当氧气进入反应体系时,催化体系中BPA的降解效率最高,在处理20 min时,降解率便可达到100%,空气次之;1O2、电子、·OH和O2·-均对催化体系中BPA的降解起着至关重要的作用,其中O2·-的作用更为显著;不同放电时间段BPA溶液的紫外可见全波段扫描分析显示,随着放电时间的增长,BPA吸收峰呈逐渐下降的趋势,同时副产物峰逐渐升高;对降解40 min后的TOC以及COD进行检测,结果表明,ZnO的添加使TOC以及COD的去除率提高。(2)制备WO3并进行表征,建立DBDP/WO3体系,考察了催化体系中不同催化剂浓度,不同pH值、载气种类以及捕收剂对BPA降解效率的影响。结果表明:随着催化剂剂量的增加,BPA降解效率呈现增大后降低的趋势,WO3催化剂的最佳添加量为175 mg/L,当降解60 min后,BPA降解率达到83.0%;中性条件更有利于体系中BPA的降解,酸性及碱性都会产生抑制作用;当载气为氧气时可以大幅度提升降解效率,30 min时即达到100%的降解率;自由基捕获剂的添加不利于BPA的降解,研究证实,·OH对有机物的降解起主要作用;WO3循环使用试验及反应前后的WO3表征结果表明,WO3催化剂具有良好的稳定性。(3)考察了纳米金属氧化物催化DBDP的作用机理,结果表明:添加WO3后,液相内的O3浓度由0.206 mg/L降低至0.121 mg/L,与此同时,H2O2浓度随之升高,证明了催化剂的添加将水体中的O3转化为·OH;WO3的添加可以提高11.8%的TOC去除率及14.6%的COD去除率;LC-MS分析得出BPA降解产物为1,4-苯二酚、富马酸、苯丙酮、4-对羟基苯乙酮、异丙基苯酚、4-枯基苯酚;并推测WO3的催化机理,DBDP中的光效应可以激活WO3使之产生电子-空穴对,电子与空穴对DBDP体系中产生的活性物质进行催化,使之转化为·OH,进而提高了 BPA的降解效率。
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