【摘要】：染料廢水具有色度大、組分復雜、CODcr高、可生化性差等特點,是典型的難降解行業(yè)廢水。我國作為世界第一染料生產(chǎn)大國,量大面廣的染料廢水排放嚴重威脅著我國的水環(huán)境安全。因此,染料廢水的高效處理和無害化排放迫在眉睫。微生物燃料電池(MFC)技術能直接利用廢水中多種有機物作為燃料,在降解污染物的同時收獲電能,是近年來發(fā)展迅速的廢水處理工藝,受到國內外學者的廣泛關注。大量研究集中在如何提高MFC輸出功率和對特征污染物的降解,而對其產(chǎn)電的回收利用少有涉及。Ti O2光催化氧化技術(PC)作為一種高級氧化技術(AOPs),因其高效、清潔等優(yōu)點近年來越來越多地應用于廢水處理,光能利用率低以及光生電子與空穴的高復合率是該技術面臨的主要問題。圍繞染料廢水的處理,本文首先分別利用雙極液膜光催化法和微生物燃料電池(MFC)兩種技術對莧菜紅模擬染料廢水進行降解。在此基礎上,將兩種技術有效聯(lián)合,利用MFC產(chǎn)電輔助雙極液膜光催化,利用PC預處理染料廢水作為MFC燃料,以期提高廢水處理的高效性和經(jīng)濟性。具體研究內容和結論如下:1、Ti O2/Ti膜電極的制備及優(yōu)化:通過溶膠-凝膠法制備了Ti O2/Ti膜電極,最佳制備條件為500℃煅燒2h,涂膜3層。XRD分析Ti O2/Ti膜電極表面催化劑晶型主要為銳鈦礦,光電響應測試表明其具有良好的紫外光電響應。2、雙極斜板液膜光催化廢水處理:以Ti O2/Ti膜電極為陽極,Cu為陰極,組裝雙極斜板液膜反應器,光催化降解莧菜紅。確定最佳反應條件為:廢水循環(huán)流量100m L/min,廢水初始p H 2.52,Na2SO4濃度1.5g/L,莧菜紅初始濃度40mg/L。在此條件下處理90min,脫色率可達88.1%。初步推斷雙極液膜光催化降解莧菜紅染料廢水的機理是通過斷裂莧菜紅分子的偶氮鍵發(fā)色基團,并破壞萘環(huán)結構,使其由大分子降解為小分子有機物而實現(xiàn)脫色。3、雙極斜板液膜光催化廢水處理高效機理:通過陰陽雙極室降解效率和過氧化氫測定對雙極斜板液膜光催化的高效降解機理進行了研究,發(fā)現(xiàn)在激發(fā)光照射下,Ti O2/Ti和Cu電極經(jīng)導線連接后,由于基底Ti和Ti O2之間形成的肖特基勢壘,使光生電子由Ti O2表面轉移到Ti電極上,然后轉移到與Ti等電位的Cu電極表面,并在Cu電極表面直接還原染料或與其表面液膜中的溶解氧反應生成H2O2,進而參與染料的氧化,由此實現(xiàn)Ti O2/Ti的直接氧化和Cu陰極的直接還原和間接氧化,最終實現(xiàn)雙極液膜的雙極雙效效果。4、MFC處理染料廢水與同時產(chǎn)電的研究:自制雙室型MFC,接種污水處理廠的活性污泥,待MFC穩(wěn)定運行后用于處理莧菜紅染料廢水,考察了莧菜濃度、溶液初始p H、MFC外阻和共基質濃度對廢水處理效率和MFC產(chǎn)電性能的影響。結果表明,陽極微生物的生物催化活性是實現(xiàn)MFC降解及產(chǎn)電性能的保證,最佳條件為:莧菜紅濃度20mg/L,p H=9.00,外阻2k?,Na Ac濃度1.68g/L。在最佳條件下,MFC對20mg/L莧菜紅廢水脫色72h后可達到90%以上的脫色率,最大功率密度可達721.38m W·m-2。UV-vis分析表明,MFC降解莧菜紅染料廢水是使莧菜紅分子的偶氮鍵斷裂,由大分子降解為小分子,并不能使其礦化。5、MFC產(chǎn)電輔助PC(MFC-PC)處理莧菜紅:利用多組MFC串聯(lián)或并聯(lián)的輸出電壓電助雙極斜板液膜光催化,即將MFC產(chǎn)的電能作為光催化的外加電場,用于提高光生電子和空穴的分離效率,從而提高光催化效率�？疾炝薓FC連接方式、廢水循環(huán)流量、染料溶液初始p H、電解質濃度、莧菜紅初始濃度對MFC-PC處理效率的影響。結果表明,2組MFC串聯(lián)、廢水循環(huán)流量120m L/min、p H 2.52、Na2SO4 2.0g/L、莧菜紅初始濃度20mg/L時處理效果最佳,處理120min,能夠實現(xiàn)100%脫色。UV-vis分析表明,MFC-PC不僅能夠破壞莧菜紅的發(fā)色基團,而且能夠使其部分礦化。6、PC預處理MFC深度處理染料廢水:為了將PC的高效性和MFC的經(jīng)濟性相結合,將莧菜紅廢水首先經(jīng)過高效的雙極液膜光催化(PC)預處理到一定脫色率,然后再將其投加到MFC中作為微生物的基質進行MFC處理�？疾炝薖C過程中莧菜紅初始濃度和脫色率,MFC過程中外阻、基質濃度和溶液初始p H對最終處理效率的影響。結果表明莧菜紅濃度20mg/L,脫色率20%,Na Ac濃度3.36g/L,p H=9.00,外阻2k?時處理效率最佳。20mg/L莧菜紅溶液經(jīng)PC脫色20%后經(jīng)MFC處理48h可達到100%脫色。PC處理可提高莧菜紅的可生化性。UV-vis分析和COD去除率表明MFC降解PC預處理莧菜紅廢水時不僅能使莧菜紅的偶氮鍵發(fā)色基團斷裂,還能使其部分礦化為CO2和H2O,廢水COD去除率達67.1%。本論文提出的雙極液膜光催化法,通過液膜和系統(tǒng)自生電場來強化催化效率,達到雙極雙效的處理效果。在此基礎上進一步提出MFC聯(lián)合雙極液膜光催化(MFC-PC)法,將高效的PC和經(jīng)濟的MFC有機結合,提高處理效率。本論文的研究結果對于高效光催化水處理反應器的研制以及MFC、PC聯(lián)用技術的深入研究有著重要的參考意義。
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【學位授予單位】：重慶理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X788

【參考文獻】

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1 溫青;孫茜;趙立新;吳英;;微生物燃料電池對廢水中對硝基苯酚的去除[J];現(xiàn)代化工;2009年04期

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本文編號：2457448