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1、武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告课题名称催化剂的制备及催化降解酸性红B 染料废水研究学院名称环境工程学院专业给水排水工程班级给水排水 11101班学生姓名郭欣然1. 我国废水处理概况水是生命之源 是人类赖以生存和发展的重要物质，没有水就没有生命。 1977 年联合国水会议向世界发出 “ 水不久将成为一个严重的社会危机” 的警告，时至今日水资源危机已经日益显露出来其中水污染最为严重1。世界卫生组织公布的资料表明，80的疾病和 l/3 的死亡率都与饮用水受污染有关2，我国的几大饮用水源曾检测出多种有机物，这些化学物质在水中残留时间长，且多数不易被降解，能够直接对人体产生毒害作用；高浓度的短时间
2、内作用于人体可以产生急性毒性作用：低浓度的长时间作用于人体可以产生慢性毒性作用；水中的三致毒物长期存在将对人体产生远期的致癌、致畸、致突变作用，危害更大2。近几年来，我国各级地方政府在治理水污染上采取了多种措施, 但水源污染问题依旧十分普遍 ,水污染问题已经严重影响到人们的正常生活，成为一个急需解决的热点问题1,2。2012年，全国废水的排放量为684.8亿吨，工业废水的排放量221.6亿吨，在调查所统计的 41个工业行业中，废水的排放量位于前4 位的行业依次为造纸和纸制品业、化学原料及化学制品制造业、 纺织业和农副食品加工业， 4 个行业的废水排放量为101.1 亿吨，占重点调查的工业企业废
3、水排放总量的49.7%3。2. 染料废水的特点及危害工业废水是造成我国水污染的主要原因之一，然而纺织印染行业排放的印染废水是一类较难处理的工业废水，它通常含有大量的氯代苯类、硝基苯类、酚类、多环芳烃类等优先控制污染物，具有污染物含量高、毒性大、色度高和难生化降解的特点4，而且印染废水水质、水量变化大，增加了印染废水的处理难度。我国是染料生产大国，染料产量居世界第一， 目前染料工业废水排放量已达1.57 亿 t/a5，由于许数染料为有毒难降解有机物，化学稳定性强，具有致癌、致畸、致突变的“ 三致” 作用，某些染料处理不彻底产生的中间产物具有更大的毒性，如多种偶氮染料降解过程中产生致癌芳香胺中间体
4、，因此印染废水的高效降解和无毒害化深度处理显得格外重要。3. 染料废水处理常见方法3.1 物理法3.1.1 吸附法吸附法处理印染废水是指将印染废水通过活性碳、粉煤灰、硅藻土等吸附剂组成的滤床，废水中的污染物质被吸附在多孔物质表面上或者被过滤去除，从而达到净化水质的目的，目前所用吸附剂中最好的是活性碳。王湖坤6等人利用 ZnCl2溶液活化法制备核桃壳质活性炭，并研究了其对亚甲基蓝的吸附处理效果。研究表明，废水的色度的去除率为100%，COD 去除率为 79%。胡开巧7通过硫酸活化法制取活性炭，研究了其处理印染废水的效果。研究表明，吸附剂对废水的脱色率可以达到96.7%。胡娟8等研究了 3 种不同
5、材质的活性炭（混合炭、 原煤炭和果壳炭）进行吸附容量实验。研究表明，果壳炭在3 种备选炭中 COD 去除率和活性炭吸附容量利用率最高，1个大中型炭柱中的EBCT 为 20min 的果壳炭床至少可以连续使用8d 才需更换新炭，而后置炭床的串联会保证出水在8d 后继续达到纺织染整工业污染物排放标准（GB4287-1992）中一级排放标准（ COD50mgL） 。3.1.2 膜分离法膜分离技术是一种新兴的高效分离、浓缩、提纯和净化技术，具有分离效率高、工艺简单、操作方便、易控制、无污染、低能耗等优点。按滤膜孔径大小不同分4种类型，即微滤、超滤、纳滤和反渗透。应用于印染废水处理的膜技术主要有超滤、纳滤
6、和反渗透。目前膜分离技术在实际应用中的主要缺点是投资和运行费用高，易发生堵塞，需要高水平的预处理和定期的化学清洗，还存在浓缩物的处理问题。3.1.3 超声波技术超声波降解印染废水是近年才发展起来的一项工艺。超声波是由一系列疏密相间的纵波组成，通过介质向四周传播，当声能足够高时，在疏松的半周期内，液相分子间的吸引力将被打破形成空核，空核寿命极短，瞬间爆炸，同时产生局部高温高压，并产生具有强烈冲击力速度的微射流。这些条件使其在空化泡内足以将难降解有机物的化学键打开，同时产生水相燃烧、超临界氧化、高温分解和自由基氧化反应。超声波所具有的这些优点对于降低水中污染物的毒性，降解难降解有机物和提高可生化性
7、等都有较好的效果。张连军9等研究了超声波对印染废水可生化性的影响,实验结果表明 :超声使印染废水生化性有所提高 ,特别是在稀释后超声生化性提高显著,而曝气加超声后提高较小。3.2 生物法生物法是利用生物作用， 使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物转化成无害的物质。具有运行成本低， 对环境污染少的特点。 但染料废水水质波动大， 种类多，毒性高，对温度和 pH 条件要求较苛刻的微生物很难适应。生物法中的好氧处理法运行简单，对CODCr、BOD5的去除率较高，对色度的去除率却不太理想。而厌氧处理法对染料废水的色度去除率较高。厌氧处理法污泥生成量少，产生的气体是甲烷，可利用作为能源。但单独使用，效果不
8、理想。黄天寅10等在处理酞菁蓝废水过程中， 采用气提、 吹脱和气浮等物化手段去除原水中大部分 NH3-N 和 Cu2+，提高其生化性。经厌氧处理后，各项指标均可达到污水综合排放标准的一级标准， CODCr去除率 90.0%， BOD5去除率 88.9%， NH3-N 去除率 99.1%，Cu2+去除率 99.7%。由于近年来染料向抗分解，抗生物降解的方向发展，单独一种工艺很难取得满意的效果。现在处理工艺正朝向厌氧好氧联合处理工艺发展。闫庆松11等对染料废水采用了厌氧好氧工艺。 厌氧段采用 UASB 工艺， 中温消化，停留时间 48h，CODCr去除率可达 55%，出水 BOD5/CODCr值由
9、 0.1 提高到 0.42，系统内形成颗粒污泥，其沉降性能良好。好氧段采用接触氧化法，经驯化后，污泥对废水的降解能力逐步提高。3.3 化学法3.3.1 化学混凝法化学混凝法主要有沉淀法和气浮法，此法经济有效，但产生化学的污泥需进一步处理。常用的有无机铁复合盐类。近年来国内外采用高分子混凝剂日益增多。天然高分子絮凝剂主要有淀粉及淀粉衍生物、甲壳质衍生物和木质素衍生物3 大类。曾淑兰等用 NaOH 作催化剂将玉米淀粉和醚化剂M 反应制得的阳离子淀粉CST，用量为 715mg/L 时，对酸性染料、活性染料的脱色率达90%以上。方忻兰12利用海虾、蟹壳为原料制得的壳聚糖用来处理印染废水，CODCr去除
10、率达85%以上。天然高分子絮凝剂电荷密度小，分子量低，易发生生物降解而失去絮凝活性。人工合成的有机高分子絮凝剂分子量大，分子链中所带的官能团多，絮凝性能好，用量少，pH 范围广。代表性的人工有机高分子絮凝剂有PAN-DCD(二氰二胺改性聚丙烯腈聚电解质 )、 Wx 系列高分子脱色絮凝剂、 PDADMA-A( 二甲基二烯丙基氯化铵聚合物)M。3.3.2 化学氧化法化学氧化是利用臭氧、氯、及其含氧化物将染料的发色基团破坏而脱色。臭氧氧化法对多数染料能获得良好的脱色效果。但对硫化、还原等不溶于水的染料效果较差。臭氧氧化法主要通过直接反应和间接反应两种途径得以实现，其中直接反应是指臭氧与有机物直接发生
11、反应， 这种方法具有较强的选择性， 一般是进攻具有双键的有机物，通常对不饱和脂肪烃和芳香烃类化合物较有效。间接反应是指臭氧反应分解产生OH，通过 OH 与有机物进行氧化反应，这种方式不具有选择性。Fenton试剂氧化法13 14，其脱色的实质是H2O2与 Fe2+反应所产生的羟基自由基使染料有机物断链。 Fenton试剂除氧化作用外，还兼有混凝作用。研究表明，用此法处理 2-萘磺酸钠生产废水，先用FeCl3混凝沉淀后，然后在pH1.52.5 条件下，以H2O22g/gCODCr，Fe2+4g/L 水，氧化 60min 可去除 COD Cr99.6%、色度 95.3%。湿式空气氧化法 (WAO)
12、是在高温（125320） 、 高压(0.520MPa)条件下通入空气，使废水中的有机物直接氧化15。超临界水氧化（ SCWO）是指当温度、压力高于水的临界温度（ 374）和临界压力（ 22.05MPa）条件下的水中有机物的氧化。它实质上是湿式氧化法的强化和改进。 超临界态水的物理化学性质发生较大的变化，水汽相界面消失，形成均相氧化体系，有机物的氧化反应速度极快。Model 等对有机碳含量27.33g/L 的有机废水，在 550，60s内，有机氯和有机碳的去除率分别为99.99%和 99.97%。超临界水氧化法与传统的方法相比，效率高，反应速度快，适用范围广，可用于各种难降解有机物；在有机物的含
13、量低于2%时；可通过自身热交换，无须外界供热，反应器结构简单，处理量大。电化学氧化法是利用具有催化活性的电极去除水中污染物的方法。电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素。根据电极参与氧化反应的机理不同，电化学氧化法可分为直接氧化法和间接氧化法。其中，直接氧化法是电极基体与被氧化的物质直接进行电子传递的氧化方法，间接氧化法利用电化学反应产生的氧化剂氧化被氧化物质的方法。电化学氧化法具有适应面广，可控性强，流程简短，操作方便的优点，但是同时也有能耗大、成本高、有机物分解不彻底等缺点。光化学氧化法常用H2O2或光敏化半导体（如TiO2、Fe2O3、WO3作催化剂），在紫外线高能辐射下，电子从价带
14、跃迁进入导带，在价带产生空穴，从而引发氧化反应。此法对染料废水的脱色效率高， 缺点是投资和能耗高。 张桂兰16等用新型的旋转式光催化反应器，在优化条件下采用悬浮态TiO2时，偶氮染料脱色率达98%。程沧沧17等分别采用固定床型光反应器和斜板式光反应器对有机染料直接耐翠蓝GL 进行了光催化降解研究，经 60min 光照，其降解率分别为83%和 81.4%。4催化臭氧化法及其活性炭负载金属催化臭氧化法鉴于单独臭氧化存在一些问题，研究进一步提高臭氧的利用率和氧化能力是十分有意义的。应用催化剂可以降低反应活化能或改变反应历程，从而达到深度氧化的目的，最大程度的去除有机污染物。按催化剂的相态分，臭氧催化
15、氧化可分为均相催化氧化和非均相催化氧化两类。臭氧催化氧化的发展始于均相氧化，即向水溶液中加入金属离子以强化臭氧的氧化反应，随后出现了以金属氧化物或附着于载体上的金属金属氧化物为催化剂的非均相催化氧化。然而，一般的负载金属的载体最多的就是选用活性炭，活性炭是一种吸附剂，同时在臭氧化过程中也同样起到催化作用。利用活性炭特有的吸附和催化性能及活性组分的协同催化作用，降低有机物分解的活化能， 从而在常温常压下高效氧化降解有机污染物。5本课题的研究方法本课题采用酸性红B（属于单偶氮类酸性染料）溶液模拟染料废水，拟采用臭氧或臭氧双氧水作用下加入催化剂进行处理。（1）在不同的氧化条件下催化臭氧化酸性红B。（
16、2）记录实验相关数据，通过数据处理及作图分析，辅以实验效果分析，得出最佳处理条件。（3）经过实验结果的分析，在反应动力学方面进行探讨。本文主要通过反应前后的色度变化来反应实验对酸性红B 染料废水的处理效果。A脱色率则可以通过测定吸光度的方法测得；B处理后的染料浓度可以通过测定吸光度的方法测得。6. 本课题的研究意义目前，我国的“水”存在两大主要问题：一是水资源短缺，二是水污染严重。根据水工业的观点，给水和排水分别是人类向自然界取用和归还可再生资源“水”的两个程序，为了使这个循环能够持续地为人类服务，水在使用后回归自然界前，必须进行废水的再生处理。印染废水处理的目的就是为了除去废水中的各种有害物质，防止环境污染，使水能够重新利用。而酸性红B 染料废水也是其中的一种，本课题对酸性红B 染料废水中的污染物去除进行研究，分析水样中污染物的含量、来源、危害及其修复技术等方面做讨论， 着重于对污水去除技术的研究， 为实际的特定污染物处理实验提供技术和方法参考。7. 本课题的实验步
