化工工業(yè)廢水處理工藝運(yùn)行與管理電子教案

1、水處理運(yùn)行與管理教案知識(shí)點(diǎn)化工廢水處理工藝運(yùn)行與管理學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容催化氧化法處理化工廢水教學(xué)重點(diǎn)掌握均相光催化氧化法的影響因素、優(yōu)缺點(diǎn)、存在問(wèn)題掌握多相光催化氧化法機(jī)理、催化劑、存在問(wèn)題教學(xué)難點(diǎn)多相光催化氧化法機(jī)理參考資料1王洪臣主編,城市污水處理廠運(yùn)行控制與維護(hù)管理M.北京:科學(xué)出版社，1997.11.2林榮忱主編,污廢水處理設(shè)施運(yùn)行管理M.北京:北京出版社，2006.2. 3張國(guó)徽主編,環(huán)境污染治理設(shè)施運(yùn)營(yíng)研究M.遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2012.9.4 張波主編,環(huán)境污染治理設(shè)施運(yùn)營(yíng)管理M.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2006.8. 5 崔理華,盧少勇. 污水處理的人工濕地構(gòu)建技術(shù)M

2、. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.6 趙維強(qiáng).城市污泥機(jī)械濃縮與離心脫水工藝研究D.濟(jì)南：山東大學(xué),2006. 7趙慶樣污泥資源化技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.8趙維強(qiáng).城市污泥機(jī)械濃縮與離心脫水工藝研究D.濟(jì)南：山東大學(xué),2006. 化工工業(yè)包括石油化工，農(nóng)業(yè)化工，化學(xué)醫(yī)藥，高分子，涂料，油脂等。 一、光催化氧化的分類在大多數(shù)情況下，光子的能量不一定剛好與分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間能量差值相匹配，在這種情況下，反應(yīng)物分子不能直接受光激發(fā)，因此在某種程度上光催化氧化反應(yīng)具有更大的利用價(jià)值。光催化氧化的分類：均相光催化氧化和非均相光催化氧化。二、均相光催化氧化1.UV/Fenton反應(yīng)的

3、應(yīng)用1）單獨(dú)作為一種處理方法氧化有機(jī)廢水；2）與其它方法聯(lián)用；3）與混凝沉淀法、活性炭法或生化法聯(lián)用；4）通過(guò)投加低劑量氧化劑來(lái)控制氧化程度，使廢水中有機(jī)物發(fā)生部分氧化、偶合或聚合，形成分子量不太大的中間產(chǎn)物，從而改變它們的可生物降解、溶解性及混凝沉淀性，然后通過(guò)聯(lián)用技術(shù)去除。5）與深度氧化相比，可大大節(jié)約氧化劑的用量，從而降低廢水總的水處理成本。2.影響UV/Fenton反應(yīng)的因素1）有機(jī)物濃度的影響；2）亞鐵離子濃度的影響；3）過(guò)氧化氫濃度的影響；4）不同載氣的影響；5）pH值的影響初始反應(yīng)控制在6.0以下；6）溫度的影響；7）反應(yīng)時(shí)間的影響；8）光強(qiáng)的影響。3.影響UV/Fenton反應(yīng)

4、的優(yōu)缺點(diǎn)1）優(yōu)點(diǎn)：光催化效率高，氧化能力強(qiáng)，可處理高濃度、難降解、有毒有害廢水。與多相光催化相比，其降解有機(jī)物的速率是多相光催化的3-5倍。降低Fe2+的用量，保持過(guò)氧化氫較高的利用率；紫外光和亞鐵離子對(duì)過(guò)氧化氫的催化分解存在協(xié)同效應(yīng)：即過(guò)氧化氫的分解速率遠(yuǎn)大于亞鐵離子或紫外光催化過(guò)氧化氫分解速率的簡(jiǎn)單加和。2）主要問(wèn)題：成本高，F(xiàn)e2+作為催化劑反應(yīng)后會(huì)留在溶液中形成二次污染。三、多相光催化氧化多相光催化氧化降解主要是指在污染體系中投加一定量的光敏半導(dǎo)體材料，同時(shí)結(jié)合一定能量的光輻射，使光敏半導(dǎo)體在光的照射下激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，吸附在半導(dǎo)體上的溶解氧、水分子等與電子-空穴對(duì)作用，產(chǎn)生羥基自

5、由基，再通過(guò)與污染物之間的羥基加合、取代、電子轉(zhuǎn)移等使污染物全部或接近礦化，最終生成CO2、H2O及其它離子如NO3-、PO43-、SO42-、Cl-等。光催化氧化在Frank研究的基礎(chǔ)上，已推廣到金屬離子、其它無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的光降解。1.多相光催化氧化材料-半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料研究最多的是硫族化物，如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2 ,不同的光敏材料在水處理中表現(xiàn)為不同的光催化活性。TiO2光化學(xué)穩(wěn)定性高、耐光腐蝕，并且具有較深的價(jià)帶能級(jí)，可使一些吸熱的化學(xué)反應(yīng)在被光輻射的TiO2表面得到實(shí)現(xiàn)和加速，且TiO2價(jià)廉無(wú)毒。光催化反應(yīng)機(jī)理2.多相光催化氧化存在問(wèn)題電子-空穴對(duì)并不總是能

6、導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。（1）自身或同其它吸附物發(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)；（2）發(fā)生電子與空穴的復(fù)合或者通過(guò)無(wú)輻射躍遷消耗激發(fā)態(tài)能量；（3）從半導(dǎo)體表面擴(kuò)散到溶液中發(fā)生發(fā)應(yīng)。為了使光化學(xué)反應(yīng)的高效進(jìn)行，就是抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合，復(fù)合發(fā)生在ns或ps的時(shí)間內(nèi)，預(yù)先吸附捕獲劑在催化劑表面，界面電荷的傳遞和被俘獲才有競(jìng)爭(zhēng)性。3.多相光催化氧化光催化劑TiO2活性晶型影響：（1）銳鈦型：禁帶寬度3.2ev；（2）金紅石型:禁帶寬度3.0ev；（3）板鈦型:無(wú)光催化活性。銳鈦礦型光催化活性優(yōu)于金紅石型：（1）銳鈦礦型具有較高的禁帶寬度，使其電子空穴對(duì)具有更正或更負(fù)的電位，從而具有較高的氧化還原能力；（2）在結(jié)晶過(guò)程中

7、，銳鈦礦型晶粒通常具有較小的尺寸和較大的比表面積；（3）銳鈦礦表面吸附H2O、O2及OH-的能力較強(qiáng)。4.TiO2的制備1）氣相法。氣相水解法：以TiCl4為母體，氣化后在氫氧焰中進(jìn)行高溫下水解，得TiO2為30nm左右。氣相氧化法（化學(xué)氣相沉積）鈦酸四丁酯氣化，氦氣或氬氣載入與氧氣作用生成TiO2沉積。2）液相法。（1）沉淀法、（2）中和法、（3）溶膠-凝膠法5.TiO2的改性表面修飾：由于TiO2的吸收閾值為387nm，對(duì)太陽(yáng)光的利用率低，為了提高光催化活性和擴(kuò)大激發(fā)光波長(zhǎng)范圍而進(jìn)行催化劑改性。（1）惰性金屬沉積：Pt、Au、Ag、Cu（2）過(guò)渡金屬摻雜：Fe3+（3）復(fù)合半導(dǎo)體：用兩種或

8、以上的半導(dǎo)體通過(guò)浸漬、混合溶膠、均勻沉淀等方法能夠制成復(fù)合半導(dǎo)體催化劑。（4）表面光敏化：光活性物質(zhì)可吸收可見(jiàn)光，受激發(fā)將電子傳遞給半導(dǎo)體導(dǎo)帶（5）表面螯合及衍生化作用：含硫化合物、OH-、EDTA等螯合劑能影響半導(dǎo)體的能帶位置，使導(dǎo)帶移向更負(fù)的位置。6.TiO2催化劑的負(fù)載將TiO2負(fù)載到光滑平整的載體上形成均一連續(xù)的薄膜上，或?qū)iO2固定到載體上。TiO2催化劑的負(fù)載常用的方法有（1）粉體燒結(jié)法；（2）溶膠-凝膠法（原料為：有機(jī)醇鹽和無(wú)機(jī)鈦鹽)；（3）摻雜法（惰性材料和非惰性材料）；（4）化學(xué)氣相沉積法。四、光催化劑TiO2的流態(tài)1.懸浮型：TiO2粉末直接與廢水混合組成懸浮體系。其優(yōu)點(diǎn)

9、是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能充分利用催化劑活性；而缺點(diǎn)是存在固液分離問(wèn)題，無(wú)法連續(xù)使用；易流失；懸浮粒子阻擋光輻射深度，TiO2 =0.5mg/m3左右，反應(yīng)速度達(dá)到極限。2.固定型：TiO2粉末噴涂在多孔玻璃、玻璃纖維或玻璃板上。其優(yōu)點(diǎn)是TiO2不易流失，可連續(xù)使用；而缺點(diǎn)是催化劑固定后降低了活性。非填充式固定床型：以燒結(jié)或沉積法直接將光催化劑沉積在反應(yīng)器內(nèi)壁，部分光催化表面積與液相接觸。填充式固定床型：燒結(jié)在載體上，然后填充到反應(yīng)器里，與非填充式固定床型相比，增大了光催化劑與液相接觸面積，克服了懸浮型固液分離問(wèn)題。3.流化床：負(fù)載了TiO2顆粒的載體，在反應(yīng)器中以懸浮狀態(tài)存在，其優(yōu)點(diǎn)是，一方面可使催化劑顆粒多方位受到光照，并且在懸浮擾動(dòng)下可防止催化劑鈍化，提高催化