纳米RuO2/ZrO2-CeO2催化臭氧氧化深度处理焦化废水及废水中的POPs

现有的二级生物处理工艺无法实现焦化废水处理达标排放的目的，本项目在已有的催化臭氧氧化难生物降解有机物研究基础上，开展纳米RuO2/ZrO2-CeO2催化臭氧氧化深度处理焦化废水及废水中的持久性有机污染物的研究，内容包括：(1)以纳米ZrO2-CeO2为载体，以Ru为活性组分制备高效稳定催化臭氧氧化催化剂；(2)采用旋转蒸发浸渍、水浴加热回流、冷冻干燥和微波辐射焙烧等工艺提高催化剂的活性；(3)利用表征手段深入研究催化剂表面缺陷氧浓度、金属分散度和比表面积对于催化剂活性的影响规律，探讨制备方法对于催化剂活性的影响机制，进一步指导催化剂制备；（4）采用遗传算法和神经网络联合模拟建立RuO2/ZrO2-CeO2催化臭氧氧化焦化废水中持久性有机污染物的定量构效关系。本研究可为催化臭氧氧化技术在环境保护中的应用、焦化废水的达标排放和废水中POPs的有效削减提供技术支持。

本项目针对现有的二级生物处理工艺无法实现焦化废水处理后达标排放的问题，开展催化臭氧氧化工艺处理焦化废水及废水中难降解有毒污染物（PTs）研究，内容包括：(1)研制ZrO2-CeO2载体和RuO2/ZrO2-CeO2催化剂；(2)开展催化剂结构表征，研究催化剂的构效关系；(3)开发新型催化臭氧氧化反应器;(4)建立催化臭氧氧化降解焦化废水中酚类污染物的定量构效关系。通过研究发现：单独臭氧氧化对PTs具有较好的降解效果，但是单独臭氧氧化工艺的TOC去除率较低；催化剂对催化臭氧氧化过程中有机物去除提高作用不明显，主要是因为所选的PTs与臭氧之间的反应属于快速反应，但载体和催化剂均能够提高臭氧氧化工艺的TOC去除率，催化剂吸附中间产物对TOC去除率具有较大贡献；相对于ZrO2-CeO2，RuO2/ZrO2-CeO2催化臭氧氧化降解草酸过程中，TOC去除率增加10%；相对于马弗炉焙烧制备的催化剂，微波辐射焙烧制备的催化剂催化臭氧氧化处理吲哚溶液中TOC去除率要高14%，微波辐射制备催化剂过程中，含水率、单次催化剂处理量对催化剂活性影响较小，微波功率和微波辐射时间影响较大；Zr的添加提高了催化剂表面吸附氧含量、适度微波辐射提高了金属分散度，并最终提高催化剂活性，Ru-O-Ce键传递电子对催化臭氧氧化过程中自由基的产生起了关键作用；在传质和反应特征研究基础上开发了臭氧吸收-催化反应叠加式反应器，通过催化反应强化臭氧传质过程，提高了臭氧利用率，反应器的最佳臭氧吸收段长度与催化反应段长度比为1:2，催化反应段的长度对有机物的去除效果具有重要的影响。根据臭氧氧化和催化臭氧氧化酚类物质的QSPR模型可知，辛醇水分配系数和分子轨道能对有机物臭氧氧化活性速率影响较大，GA-ANN模型的相关系数和预测准确度更高，但GA-PLS模型可以给出直观的表达式。10d的催化臭氧氧化连续试验表明，COD去除率稳定在50%左右，出水COD稳定在95 mg/L。出水COD值低于《污水综合排放标准》（8978-1996）二级标准中的限制水平。本研究可为催化臭氧氧化技术在环境保护中的应用、焦化废水的达标排放和焦化废水废水中PTs的有效削减提供理论基础和技术支持。本项目已发表文章3篇，其中SCI收录文章1篇、EI收录文章1篇，授权专利1个，另有1篇文章已投稿。