难降解有机废水成分复杂、浓度高、可生化性差,在自然环境以及生物体内呈现长期残留性和高毒性,传统的水处理工艺很难达到理想的处理效果。臭氧作为一种强氧化剂,已经在废水处理中得到了广泛的应用。本文以γ-Al2O3作为载体,采用浸渍法制备了新型的Cu-Mn/γ-Al2O3负载型催化剂,并构建了臭氧-Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化体系,以酸性红B模拟废水、对苯二甲酸模拟废水和头孢合成废水二级出水实际废水为研究对象,考察了不同反应条件对废水处理效果的影响,并对催化臭氧化降解酸性红B和对苯二甲酸的反应动力学及机理进行了研究。主要试验结论如下:1)研制出一种新型Cu-Mn/γ-Al2O3催化剂,其最佳制备条件是以γ-Al2O3为载体,0.5mol/L的Cu(NO3)2和Mn(NO3)2等体积混合液为浸渍液,浸渍时间12h,焙烧温度550℃,焙烧时间3h。通过XRD、SEM和FTIR表征发现该催化剂的主要活性组分为CuO和CuMn2O4,其与γ-Al2O3之间形成了配位结构的化学键,并高度分散于γ-Al2O3的表面。通过质量法测定可得该催化剂的零电荷点为pH值8.3。以酸性红B的去除率为评价目标,发现该催化剂具有较好的催化性能且稳定性良好。2)采用Cu-Mn/γ-Al2O3催化剂开展了催化臭氧化处理酸性红B模拟废水试验研究。结果表明,当酸性红B初始浓度为250mg/L时,在臭氧投加速率4.26mg/min,废水初始pH值8.3,催化剂投加量4g/L的条件下,反应20min,酸性红B去除率可达到99.36%,废水总有机碳(TOC)可由48.50mg/L降至22.13mg/L,TOC去除率达到54.38%,与单纯臭氧氧化工艺相比,酸性红B和TOC去除率分别提高20.43%和35.03%。Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化降解酸性红B反应符合一级动力学,其方程为ln(c0/ct)=0.2498t+0.1370,相关系数R2为0.9974。3)Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化对苯二甲酸模拟废水试验结果表明,当对苯二甲酸初始浓度为100mg/L,废水初始TOC为33.15mg/L时,在臭氧投加速率3.18mg/min,废水初始pH值8.3,催化剂投加量3g/L的条件下,反应20min,对苯二甲酸和TOC去除率可分别达到99.26%和57.21%,较单纯臭氧化分别提高23.34%和22.76%。Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化降解对苯二甲酸反应符合一级动力学,其方程为ln(c0/ct)=0.2455t-0.1354,相关系数R2为0.9959。4)Cu-Mn/γ-Al2O3催化臭氧化对头孢合成废水二级出水具有较好的效果,在臭氧投加速率5.64mg/min,废水初始pH值8.3,催化剂投加量5g/L的条件下,反应20min,废水COD、BOD5、氨氮和色度可分别由250mg/L、10mg/L、12mg/L和70倍降至114mg/L、6mg/L、5mg/L和5倍,出水水质满足GB 21904-2008《化学合成类制药工业水污染物排放标准》的要求。5)通过羟基自由基(·OH)抑制试验,证明Cu-Mn/γ-Al2O3催化剂能够促进臭氧分解产生羟基自由基,提高了臭氧的氧化效率。
