基于BDD电极的高难度有机废水的电化学氧化处理研究

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采用传统方法难以去除由高温气冷堆燃料制作过程中产生的高浓度四氢糠醇(Tetrahydrofurfurly alcohol,THFA)和火炸药生产过程中产生的高COD、高氨氮(NH3-N)废水,且在处理过程中易造成二次污染。本文首次利用掺硼金刚石(Bron-doped diamond,BDD)电极电化学氧化技术,对目标废水进行降解。在THFA模拟核废水的降解中,对THFA和COD的移除率最高可分别达到98.00%和98.93%;在真实火炸药废水的降解中,对COD和NH3-N的移除率最高可分别达到98.70%和95.74%,展现出了BDD电极高效的处理能力。第一,利用BDD电极电化学处理含THFA的模拟核废水。在电流(20~60 m A/cm~2)和电解质(KNO3、KCl、K2SO4)两变量下正交测试了溶液中THFA的浓度、COD参数和中间产物的变化,并提出在最优条件下的降解路径。发现在电流密度60 m A/cm~2和1 g/L KCl作电解质下处理6小时,溶液中THFA和COD的移除率最高。在KCl作电解质时,利用HPLC和LC-MS检测出3种小分子产物(草酸、乙酸和甲酸)和7种中间产物,并据此提出了包括羟基氧化、醚键断裂以及脱氢-烯化过程的三条降解路径。第二,利用BDD电极电化学处理高COD、高氨氮火炸药废水。通过额外添加氯化钠(0.5~4.0 g/L)、调节电流密度(40~80 m A/cm~2)以及改变溶液的酸碱性(p H=2~11),探究不同因素对溶液COD和氨氮的赝一级动力学(均视为赝一级反应)影响。从实验结果可得:(1)随着氯化钠添加量的增加和电流密度的增大,COD移除率增大,动力学常数呈连续上升趋势;(2)氨氮的移除效率随氯化钠添加量的增加,其动力学常数呈现先增大后稳定的趋势;(3)随着电流密度的逐渐增大,氨氮移除的动力学常数呈指数型增长趋势;(4)升高溶液p H值,COD移除的动力学常数呈直线下降趋势;(5)与之相反,氨氮移除的动力学常数随p H值增加呈直线上升趋势。在最优条件下(p H=4,电解质含量2 g/L,电流密度70 m A/cm~2)利用BDD电极电化学处理目标废水,能实现废水中COD和氨氮的近乎完全去除,其能耗为35.54 k Wh/m~3。总之,BDD电极在电化学氧化处理THFA模拟废水和真实火炸药废水中展现出节能、环保、高效等特点,能够补强传统方法,面向有机废水处理领域具有深厚的应用潜力。
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