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聚丙烯酸酯类是纺织染整加工工艺中应用最广的粘合剂和染整助剂,被称为四大聚合物类纺织助剂之首,但在制造过程中会产生大量高浓度、高COD值、组分复杂且可生化性差的有机废水亟待处理。目前常见的处理工艺包括焚烧法、催化湿式氧化法和生物法,但在实际应用中均存在诸如产生二次污染、水中高盐组分等物质容易损坏设备、成本较高、反应条件苛刻、稳定性较差等不足。因此设计研究成本较低、运行稳定的处理体系具有重要的意义。
本研究以工业生产中的实际聚丙烯酸酯废水为研究对象,考察了传统芬顿和零价铁类芬顿体系处理聚丙烯酸酯废水的最佳反应条件、两种体系的综合对比、芬顿体系中主导因素和协同因素的研究、两种体系中自由基的检测分析、聚丙烯酸酯的降解途径、有机污染物的转换规律、污泥催化剂的制备及表征分析,最后进行中试试验。
本研究的主要结论如下:
(1)传统芬顿技术处理聚丙烯酸酯废水最佳反应条件为pH值3.0~4.0,含量30%的H2O2投加量2.0mL/L,H2O2与Fe2+的摩尔比为1:3,反应辅助方式为外加曝气,在最佳的反应条件下降解处理2h后废水COD去除率达90%以上,平均分子质量降低99%以上。零价铁类芬顿技术处理聚丙烯酸酯废水的最佳反应条件为pH值3.0~4.0, 30%的H2O2投加量1.5mL/L,Fe0投加量50g/L,反应辅助方式为外加曝气,在最佳的反应条件下降解处理2h后COD去除率达90%以上,平均分子质量降低99%以上。综合从运营成本、操作条件和污泥产生量等角度出发对两种体系进行对比,得出零价铁类芬顿技术更适合应用于实际工业中处理聚丙烯酸酯废水。
(2)废水有机物的降解中芬顿反应占主导地位,其它协同作用(酸性条件、曝气挥发、H2O2氧化、Fe2+与Fe0的还原和絮凝作用)均有贡献;使用电子自旋共振(ESR)检测,在零价铁类芬顿体系中检测到·OH与·O2-, ·OH强度强于·O2-,在传统芬顿体系中仅检测到·OH;通过气相质谱联用(GC-MS)检测两种芬顿体系中聚丙烯酸酯不同时间的降解产物,并推测出大致的降解途径;有机物的最终转化包括:挥发至大气、被芬顿反应完全降解、被污泥絮凝沉降和未完全矿化溶解于上清液。
(3)研究热干化法和水热法将芬顿污泥制备成非均相催化剂的最佳方法和反应条件,得到105℃烘干2h制备的污泥催化剂对体系提升效率最高,水热法中220℃反应6h制备的催化剂提升效率最高,但水热法制备的催化剂稳定性更好,每批次提升率降低1.4%左右,而热干化法每批次提升率降低3.2%左右。通过SEM、XRD对不同方法和条件制备的催化剂的表面形态性质和分子晶体结构表征分析。
(4)实际运行零价铁类芬顿技术处理聚丙烯酸酯废水的中试系统,系统运行情况良好,对废水降解处理的效果达到预期,处理后废水COD值低于500mg/L可直接用于中水回用,COD去除率达90%以上,证明本研究有较强的工程应用性。
本研究以工业生产中的实际聚丙烯酸酯废水为研究对象,考察了传统芬顿和零价铁类芬顿体系处理聚丙烯酸酯废水的最佳反应条件、两种体系的综合对比、芬顿体系中主导因素和协同因素的研究、两种体系中自由基的检测分析、聚丙烯酸酯的降解途径、有机污染物的转换规律、污泥催化剂的制备及表征分析,最后进行中试试验。
本研究的主要结论如下:
(1)传统芬顿技术处理聚丙烯酸酯废水最佳反应条件为pH值3.0~4.0,含量30%的H2O2投加量2.0mL/L,H2O2与Fe2+的摩尔比为1:3,反应辅助方式为外加曝气,在最佳的反应条件下降解处理2h后废水COD去除率达90%以上,平均分子质量降低99%以上。零价铁类芬顿技术处理聚丙烯酸酯废水的最佳反应条件为pH值3.0~4.0, 30%的H2O2投加量1.5mL/L,Fe0投加量50g/L,反应辅助方式为外加曝气,在最佳的反应条件下降解处理2h后COD去除率达90%以上,平均分子质量降低99%以上。综合从运营成本、操作条件和污泥产生量等角度出发对两种体系进行对比,得出零价铁类芬顿技术更适合应用于实际工业中处理聚丙烯酸酯废水。
(2)废水有机物的降解中芬顿反应占主导地位,其它协同作用(酸性条件、曝气挥发、H2O2氧化、Fe2+与Fe0的还原和絮凝作用)均有贡献;使用电子自旋共振(ESR)检测,在零价铁类芬顿体系中检测到·OH与·O2-, ·OH强度强于·O2-,在传统芬顿体系中仅检测到·OH;通过气相质谱联用(GC-MS)检测两种芬顿体系中聚丙烯酸酯不同时间的降解产物,并推测出大致的降解途径;有机物的最终转化包括:挥发至大气、被芬顿反应完全降解、被污泥絮凝沉降和未完全矿化溶解于上清液。
(3)研究热干化法和水热法将芬顿污泥制备成非均相催化剂的最佳方法和反应条件,得到105℃烘干2h制备的污泥催化剂对体系提升效率最高,水热法中220℃反应6h制备的催化剂提升效率最高,但水热法制备的催化剂稳定性更好,每批次提升率降低1.4%左右,而热干化法每批次提升率降低3.2%左右。通过SEM、XRD对不同方法和条件制备的催化剂的表面形态性质和分子晶体结构表征分析。
(4)实际运行零价铁类芬顿技术处理聚丙烯酸酯废水的中试系统,系统运行情况良好,对废水降解处理的效果达到预期,处理后废水COD值低于500mg/L可直接用于中水回用,COD去除率达90%以上,证明本研究有较强的工程应用性。