DSA电化学法处理氯醇法环氧丙烷生产废水的研究

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氯醇法环氧丙烷(PO)生产废水具有含盐量高(2%-4%)、pH值高(10-12)、CaCl2浓度高(≧15000mg/L)、COD高(1500-2500mg/L)等特点,含有大量难生物降解的含氯有机化合物,属于难生物降解的高浓度有机废水。这种废水的合理化处理和利用成为当前国内外PO行业发展中亟待解决的问题。DSA(钛基活性氧化物涂层电极)电化学法废水处理工艺是应用DSA电极,以电子为试剂在电极的表面上发生得失电子的反应,产生·OH等具有强氧化活性的物质来处理高浓度的有毒难降解废水。本处理方法具有许多优点,如无需添加化学试剂、不易产生有毒中间物质、处理效率高、易于操作等,是广泛用于工业化的高级氧化工艺之一,被称为“环境友好”技术。采用电化学法,以DSA类电极为催化阳极,对氯醇法PO生产废水进行了降解研究。主要研究内容有(1)针对该废水Ca2+浓度高的特点,对废水的预处理方法进行了研究和条件优化。(2)采用析氧析氯、循环伏安等方法对几种DSA类电极进行表征,通过对比分析,确定催化活性高的电极为电催化阳极。(3)应用优选出的电催化阳极对废水进行电化学降解,优化反应参数并提出PO生产与废水处理一体化工艺。(4)对DSA电化学法降解PO废水工艺进行成本分析和降解机理研究。借助不同方法对实验结果进行分析讨论,得到以下结论:(1)选用电化学法处理氯醇法PO生产废水的最佳预处理方案为:曝气量2.5L·min-1、曝气45min,每吨废水加入N2CO3粉末24kg,充分混匀后加入PFS+PAM复配絮凝剂。此预处理方案具有废水处理效果好(Ca2+的去除率为77.03%,COD的去除率为37.46%)、投药量少(100gPFS+7.5gPAM/t废水)、沉降时间短(5min)等优点,具有一定的优越性。PO废水预处理过程主要通过PFS的电中和作用和PAM的吸附架桥作用絮凝废水的悬浮颗粒物,并絮凝部分大分子有机物。(2)Ti/TiO2-Ta2O5-IrO2-SnO2电极比Ti/TiO2-IrO2-RuO2、Ti/TiO2-IrO2-RuO2-SnO2、Ti/TiO2-Ta2O5-IrO2电极具有高析氧电位、较大的循环伏安曲线包围面积和较高的表面分形维数,说明Ti/TiO2-Ta2O5-IrO2-SnO2电极具有较高的表面催化活性,能使有机物在其表面得到有效降解,是电化学处理PO废水最佳的DSA阳极。(3)应用Ti/TiO2-Ta2O5-IrO2-SnO2电极电化学处理PO废水,降解有机物的主要因素影响大小为:电流密度>极板间距>预处理后剩余Ca2+浓度;最佳实验参数为:电流密度74mA/cm2、极板间距4cm、预处理后剩余Ca2+浓度为1050mg/L。在此工况下电解240min,废水处理后COD为178mg/mL,去除率达到90.3%,Cl-去除率为11.2%。废水中Cl-含量仍然高达23800mg/L,需进一步进行工艺优化,确保废水的无害化利用。(4)通过优化实验,确定了废水的处理工艺:在正交实验的基础上,废水温度85℃时,废水经处理后的COD去除率达到93.5%,Cl-去除率为29.7%,能达到PO生产所需要的工业水标准。此废水处理工艺,不仅能保证PO废水的回收利用,还有纳米级碳酸钙、氢气等产品的产生。通过成本核算,得出处理每吨PO废水的实际成本为75.965元,而目前每吨PO售价14200元,本工艺处理成本低,具有非常好的经济前景。(5)通过电化学氧化机理、电化学图谱和红外光谱的综合分析,得出DSA电化学法处理氯醇法PO生产废水的降解机理:废水中直接氧化作用是醇、醚、酮和醛等有机物在阳极表面被直接氧化成饱和有机化合物;间接氧化作用是阳极上产生次氯酸,间接氧化分解废水中含氯有机物,这是废水有机物降解过程中的主导作用;PO废水中大分子含氯醚类有机物首先分解成小分子含氯有机物或醇类,随后酮基、醛基转化成醇羟基,同时分解成小分子含氯有机物,最后醇类被彻底分解成CO2和H2O,降解顺序为:醚类、酮类、醛类、醇类。本课题运用DSA电化学法对氯醇法PO生产废水进行处理,为该废水的处理提供了一种经济有效的新方法;同时结合氯醇法生产PO的工艺,提出了PO生产和废水处理一体化工艺。此工艺具有处理成本低、无需对废水稀释、无需添加电解质、无需对废水热交换、减少氯醇化副反应等特点,工艺流程简单,废水停留时间短,处理效果好,具有其它处理方法无法比拟的优点。
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