钢渣粒子三维电极系统构建及去除水中有机污染物效能研究-市政工程专业论文.docxVIP

Classified Index: TU991.2 U.D.C: 628.162 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering STUDY ON FABRICATION OF STEEL SLAG PARTICLES THREE DIMENSIONAL ELECTRODE SYSTEM AND ITS PERFORMANCE OF REMOVING ORGANIC POLLUTANTS IN WATER Candidate： Zhaoyang Wang Supervisor： Prof. Jingyao Qi Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Municipal Engineering Affiliation： School of Municipal and Environmental Engineering Date of Defence： June, 2015 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 要 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 摘 要 污水的深度处理中有机污染物的去除一直是水处理领域近些年来研究的热 点。三维电催化技术能够解决传统二维电催化中电流效率低、处理能耗高等问 题，也在近些年备受重视。研发新型、高效、廉价的粒子电极将对三维电催化 技术投入实际应用产生重要的影响。本论文以废治废，探索以工业生产固体废 弃物钢渣为原料制备粒子电极，以提高催化性能为目的对其进行表面金属负载， 并对新型粒子电极进行理化特性的研究，设计新型的三维电催化反应器，将粒 子电极投入其中，研究其去除水中有机污染物和处理实际废水的性能与机理， 探讨钢渣粒子电极运用于实际工作的可能。本论文开展的具体研究工作如下： 探索提出了利用钢渣为原料制备粒子电极的方法，通过设计正交试验，解 析了制备条件对其催化降解水中罗丹明 B(RhB)的影响规律，优化了钢渣粒子电 极的具体制备条件；通过多种表征手段研究钢渣粒子电极的表面形貌、晶相结 构、化学组成、磁力特性；并考察其在静态三维电催化系统中的催化性能与循 环使用性能。结果表明：制备钢渣粒子电极的最适宜条件为物料配比钢渣：粘 土：成孔剂质量比 5:4:1，煅烧温度为 1000 ，煅烧时间 30 min。钢渣粒子电 极结要组成元素有 O、Ca、Fe、Si、Mg、Al、Mn，这些元素大多以氧化物的 形式存在于粒子中。钢渣粒子电极具有一定的磁性，其磁饱和强度为 1.6389 emu/g。钢渣粒子电极能够在 60 min 内去除 65.45%的 RhB，高于纯二维的电催 化系统，也高于以陶瓷颗粒为粒子电极的三维电催化系统。在第一次循环使用 后，粒子电极对 RhB 的去除效率会下降 20%左右，继续循环使用，其对 RhB 的降解率维持在 40%左右不变。 在静态的电解槽式三维电催化氧化装置中对钢渣粒子电极进行了不同条件 下降解 RhB 的试验，研究钢渣粒子电极在静态三维电催化氧化装置中的应用参 数。采用 X-射线光电子能谱(XPS)检测、羟基自由基产生量检测、曝气试验等 手段对钢渣粒子电极去除 RhB 反应过程进行研究，结果表明：钢渣粒子电极在 静态的电解槽式三维电极反应器中降解 RhB 的最佳条件是：槽电压 5 V、粒子 电极投加量 15 g、主电极间距 4 cm、电解质浓度 0.15 mol/L、初始 RhB 浓度 5 mg/L、初始 pH 值 4，并且钢渣粒子电极在静态的电解槽式三维电极反应器中对 RhB 的降解完全符合 Langmuir-Hinshelwood(L-H)拟一级反应动力学模型。钢渣 粒子电极在去除 RhB 前后内部铁元素含量减少，这是由于铁离子化并于氢氧根 形成 Fe(OH)3 沉淀造成的。钢渣粒子电极的三维电催化体系产生羟基自由基的 - I - -  PAGE 12 - -  PAGE 11 - 能力强于传统的二维电催化体系，曝气可以提高钢渣粒子电极的催化性能。 在静态电解槽式反应装置的基础上对反应器构型进行了改进，采用超声浸 渍-焙烧法对钢渣粒子进行了表面金属负载，设计正交试验与单因素试验，通过 其在三维电催化体系中对 RhB 的降解效能选择最佳的负载金属、优化了负载条 件，结果表明：改变静态反应装置的构型有助于增加钢渣粒子电极的催化性能， 在新构型的静态反应装置中，Mn 负载的钢渣粒子电极去除水中有机污染物的性 能最好，采用 Mn(NO3)2 超声浸渍-焙烧的方法对原钢渣粒子电极进行表面金属 负载的最优条件是：超声浸渍时间 1.5 h、浸