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学位论文数据集 中图分类号t q 0 3 1 7 学科分类号5 3 0 2 4 1o 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 0 8 8 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王婷婷学号2 0 0 8 0 0 0 0 8 8 获学位专业名称 化学工程与技术获学位专业代码0 8 1 7 课题来源自选项目研究方向水处理 论文题目 硫化钠废碱液的催化氧化研究 关键词电化学氧化,空气催化氧化,硫化钠,磷钨酸,废水 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 0 论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师李春喜教授北京化工大学化学工程 评阅人l密建国教授北京化工大学化学:i = 程 评阅人2 孟洪 副教授北京化工大学化学工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答懒会主席仲崇立 教授北京化工大学 化学工程 答辩委员1密建国教授北京化工大学化学工程 答辩委员2 郑丹星教授北京化工大学化学工程 答辩委员3孟洪副教授北京化丁大学化学r 丁程 答辩委员4纪培军副教授北京化工大学化学工程 答辩委员5 注:一论文类型:1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图二 5 资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 母) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 硫化钠废碱液的催化氧化研究 摘要 工业含硫废碱液主要来自乙烯生产和炼油过程,其主要污染物硫化钠 含量大,c o d 浓度高,目前工业上多采用高温高压空气氧化工艺,工艺 的能耗高、反应时间长、效果差,不适宜处理大量的含硫废碱液。本文拟 研究适合常温常压操作的电解氧化工艺,以及为降低反应温度和压力的空 气催化氧化法,研究具有重要的实际价值和一定的理论意义。 本课题主要做了以下两方面的研究: 1 传统的硫化钠废碱液处理技术,往往需要高温、高压反应条件, 或大量使用双氧水等昂贵的强氧化剂,处理成本较高并有一定的安全隐患, 而本课题以氯化钠作为电解液,涂钌钛网作为电极研究了电解氧化法对硫 化钠溶液的处理效果。考察了电极材料、工作电压、极板间距、反应时间、 硫离子初始浓度、液体湍动程度、电解质浓度以及催化剂等因素对硫离子 去除率的影响规律。结果表明:该方法适用于硫离子浓度在1 0 0 0 p p m 左 右的低浓度级别的硫化钠溶液。当硫离子浓度很高时,氧化过程中生成的 半固体状多硫化物或单质硫会在电极板上沉积,影响电解反应的效率和脱 硫效果。适宜的工作条件为:涂钌钛网电极,极板电压3 v 极板间距2 c m 。 另外,极板间距越小,通过溶液的电流密度越大,电解越快,脱硫效果也 更好。当极板间距为1 c m 时,1 0 0 0 p p m 的硫化钠溶液反应3 小时脱硫率 可达9 8 以上。亚铁离子对脱硫没有催化作用,反而会降低脱硫率。 。 北京化工大学硕| :学位论文 2 催化氧化法脱硫具有效率高,环境污染少等优点,因此本课题也 对其进行了研究。空气催化氧化法是在向硫化钠溶液中鼓入空气的同时, 投入催化剂,在催化剂的作用下,s 2 。被转化成为s 2 0 3 2 和s 0 4 厶。对于硫 化钠溶液的空气氧化反应,实验对比了几种催化剂的性能,发现锰、铁离 子无机物固体和磷钨酸固体的催化效果不明显,而以颗粒状活性炭负载 n 甲基咪唑磷钨酸盐的催化剂效果最好,而且这种负载型催化剂可以减 少和消除磷钨酸盐在溶液中的溶解损失。另外,空气流量越大,反应温度 越高,脱硫率越高。采用离子色谱方法考察了空气催化氧化脱硫过程中所 形成的各种中间体及最终产物,主要检测到了三种离子,即s 0 4 2 。、s 2 0 3 2 。 和s 0 3 厶。根据溶液中各种离子随时间的变化规律,提出了硫化钠溶液空 气催化氧化反应的机理,即硫离子被氧化为硫酸根的过程是一个连串反应 过程,它首先被氧化为中间价态的单质硫s ,亚硫酸根s 0 3 二,硫代硫酸 根s 2 0 3 厶,然后再继续深度氧化生成硫酸根s 0 4 2 。其中,反应的控制步 骤可能是硫代硫酸根的氧化反应。 关键词:电化学氧化,空气催化氧化,硫化钠,磷钨酸,废水 i l a b s t r a c t s t u d yo nc a t a l y t i co x i d a t i o no ft h es p e n t c a u s t i cs o l u t i o n o fs o d i u ms u l f i d e a b s t r a c t i n d u s t r i a l s u l 如r _ c o n t a i n i n gs p e n tc a u s t i cm a i n l yc o m e s 丘o mt h e p r o d u c t i o np r o c e s so fe t h y l e n ea n do i lr e f i n i n g ,w h e r et h ec o n t e n to fs o d i u m s u l f i d ea n dc o di sv e 巧h i g ha n dt h u sn e e dt ob et i e a t e db e f o i ed i s p o s a lt o t h ee n v i r o n m e n t t r a d i t i o n a l l y ,t h i sw a s t ee f n u e n ti st r e a t e db ya i ro x i d a t i o n a th i 曲t e r l l p e r a t l l r ea n dp r e s s u r e ,t h ep r o c e s si st i m e - a n de n e r g y c o n s u m i n g w i t hl o we f j e i c i e n c y ,a n dt h u sn o ts u i t a b l e f o r1 a 略es c a l et 1 - e a t m e n t i nt h i s p 印e r ,w ew i l ls t l l d ys o m en e wa n de m c i e n tm e t h o d s ,i e e l e c t r o l y s i sa n d c a t a l ”i co x i d a t i o nm e t h o d ,s oa s t or e d u c et h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r eo ft h et r e 釉e n t t h i ss t u d yi so fp o t e n t i a la p p l i c a b i l i t ya n dg r e a t i m p o r t a n c e t h i ss t l l d ym a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s : ( 1 ) t h et r a d i t i o n a lt r e a t m e n tt e c h n 0 1 0 9 yf o rs o d i u ms u l f i d eo r e n r e q u i r e sh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ,1 e a d i n gt oah i g hp r o c e s s i n gc o s t a n dp o t e n t i a ls a r yr i s k i nt h i ss t u d y ,e l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o nm e t h o dw a s u s e dw i t hs o d i u mc h l o n d ea s s a c r i f i c i n ge l e c t r o l y t ea n dm t h e n i u mp l a t e d t i t a n i u mn e t sa se l e c t r o d e t h ee f f e c t so fs o m ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e i i i 北京化工大学硕:l :学位论文 s u l 如rr e m o v a lr a t ea u r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ,i n c l u d i n ge l e c t r o d em a t e r i a l s , v o l t a g ea p p l i e d ,e l e c t r o d ep l a t e si n t e r v a l ,p r o c e s s i n gt i m e ,i n i t i a lc o n c e n t r a t i o n o fs u l m ri o n ,l i q u i dt u f b u l e n td e g r e e ,e l e c t r o l y t ec o n c e n t r a t i o n ,a n d c a t a l y s t a d d e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s e n tm e t h o di s 印p l i c a b l ef o rt h et r e a t m e n t o ft h es o l u t i o nw i t hs u l 如rc o n c e n t r a t i o nb e l o w1o o o p p ml e v e l ,a n dt h es u l 缸 r e m o v a lp e r f o m a n c ed e t e r i o r a t ew h e nt h es c o n t e n ti s h i g h e rd u et 0t h e d 印o s i t i o no fs o m es e n l i - s 0 1 i ds - c o n t a i n i n gi n t e m e d i a t e so nt h es u r l a c eo f e l e c 们d e s t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sa r ef o u n da sf o l l o w s :r u t h e n i u mc o a t e d t i t a n i u me l e c t r o d e ,t h ea p p l i e dv o l t a g e3 v ,t h ep l a t es p a c i n g2 c m t h es u l 丘l r r e m o v a la b i l i t yi n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo ft h ep l a t es p a c i n g ,m er e m o v a l r a t eo ft h es u l 6 d ei o ni sa b o v e9 8 a r e r3 ht r e a t m e n tf o ra1 0 0 0 p p mn a 2 s s 0 1 u t i o nw i t hm ee l e c t r o d es p a c i n go flc m b e s i d e s ,t h ei r o nd i dn o ts h o w c a t a l 舛i ce f f e c to nt h ee l e c t r i co x i d a t i o no f s u l m r ( 2 ) c a t a l y t i c o x i d a t i o nh a sa d v a l l t a g e so fh i 曲e 所c i e n c ya n dl e s s p o l l u t i o n ,b yw h i c ht h es 2 。c a nb eo x i d e da n dt 啪s f - o n n e di n t os 2 0 3 2a n d s 0 4 2 b yt h ea i ru n d e rt h ea c t i o no fc a t a l y s t t oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo f c a t a l y s to nt h ed e s u l 允r i z a t i o nr e a c t i o n ,t h ep e r f o m l a n c eo fs o m ec a t a l y s t sw a s c o m p a r e da n df o u n dt h a tm a n g a n e s e ,i r o na n dp h o s p h o t u n g s t a t eh a v el i t t l e c a t a l 妒i ce f f e c t , w h i l et h ea c t i v ec a r b o nl o a d e d n m e t h y l i m i d a z o l i u m p h o s p h o t u n g s t a t es h o w st h eb e s tp e r f - o n n a n c e m e a n w h i l et h ed i s s o l u t i o nl o s s o ft h ec a t a l y s tc a nb er e d u c e dg r e a t l yd u et ot h el o ws o l u b i l i t yo ft h ecs a l t w i mal a r g eo 玛a n i cc a t i o n t h ee f f e c t so fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ,t h et y p ea n d a b s t r a c t a m o u n to fc a t a l y s t ,i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no ft h ew a s t e ,a n da i rf l o wr a t eh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dm a t l l i g h e rt e m p e r a t l j r e ,c a t a l y s tc o n t e n ta n da i e n o wr a t ef a v o rt h eo x i d a t i o np r o c e s so fs u l 向ri o n sa se x p e c t e d u n d e rt h e f o l l o w i n gc o n d i t i o n st h ed e s u l p h u r i z a t i o nr a t i or e a c h e st o7 6 6 ,n a m e l y i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fs 2 10 0 0 0 p p m ,a i rn o wr a t e4 8 9 l h ,r e a c t i o na t8 0 f o r5h o u r s 1 1 1 ei o n i cs p e c i c i e sf o m e da n dt h e i rv a r i a t i o no fc o n c e n t r a t i o n i nt h eo x i d a t i o n p i o c e s sw a si d e n t i f i e da n da n a l y s e du s i n gi o n i cs p e c t r o s c o p y : t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h r e ep r i n c i p a li o n sw e r ef o n l l e d ,i e s 0 4 2 。、s 2 0 3 2 。 a n ds 0 3 2 。o nm i sb a s i s ,t h es e q u e n t i a lo x i d a t i o nm e c h a n i s mw a sp r o p o s e d ,i n w h i c hs u l f i d ei o nw a sf i r s t l yo x i d i z e di n t os u l 凡re l e m e n tsa n ds u l f i t es 0 3 2 4 a sw e l la st h e i rc o n d e n s a t ef o r ms 2 0 3 2 ,t h e n 如r t h e ro x i d i z e ds l o w l yt ot h e f i n a lf o ms 0 4 2 。a n dt h eo x i d a t i o no f s 2 0 3 2 i sd e e m e da st h ec o n t r o l l i n gs t 印 k e y w o r d s :e l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o n ;a i rc a t a l y t i co x i d a t i o n ;s o d i u m s u l f i d e ;p h o s p h o t u n g s t i ca c i d ;w a s t ew a t e r v 北京化t 大学硕上学位论文 v i 目录 目录 第一章绪论。l 1 1 背景1 1 2 工业含硫废碱液的来源及组成l 1 3 含硫废碱液的主要处理方法。2 1 3 1 中和法3 1 3 2 沉淀法3 1 3 3 综合利用法4 1 3 4 氧化法处理废碱液4 1 4 电化学氧化法7 1 4 1 电化学氧化反应的分类7 1 4 2 电极的分类及选择。8 1 4 3 电化学氧化法的应用9 1 4 4 电化学氧化法的优势l o 1 5 空气催化氧化法1 l 1 5 1 空气催化氧化法的原理1 l 1 5 2 空气催化氧化法的应用“ 1 5 3 磷钨酸催化剂1 2 1 6 本课题的研究内容1 3 第二章硫化钠溶液的电化学处理1 5 2 1 实验原理1 5 2 2 实验试剂和仪器1 6 2 3 硫离子检测方法。1 7 2 3 1 试剂准备1 7 2 3 2 预处理1 8 2 3 3 测定1 8 2 4 纯钛板电极的电解18 2 4 1 电解反应设备1 8 2 4 2 实验过程2 0 v i l 北京化丁大学硕十学位论文 2 4 3 实验结果与讨论2 0 2 5 不锈钢电极的电解2 1 2 6 钛涂钌电极的电解2 l 2 6 1 反应装置2 l 2 6 2n a c l 浓度对脱硫的影响2 2 2 6 3 电压对脱硫反应的影响2 3 2 6 4 初始硫离子浓度对反应的影响2 3 2 6 5 极板间距对反应的影响。2 4 2 6 6 搅拌对反应的影响2 5 2 6 7 高浓度含硫废液的电化学脱硫2 6 2 6 8 催化剂对反应的影响。2 7 2 7 小结2 8 第三章空气催化法处理硫化钠溶液2 9 3 1 空气催化法原理2 9 3 2 实验试剂及仪器3 0 3 3 烧瓶鼓泡反应器内的空气氧化3 l 3 3 1 锰、铁离子催化3 2 3 3 2 磷钨酸催化3 3 3 4 套管式鼓泡反应器内的空气氧化3 4 3 4 1 实验装置3 4 3 4 2 锰、铁离子催化3 5 3 5 带布气头管式反应器内的空气氧化3 6 3 5 1 实验装置3 6 3 5 2 实验过程3 7 3 5 3 催化剂投入量对反应的影响3 7 3 5 4 硫离子初始浓度对反应的影响3 8 3 5 5 空气流量对反应的影响3 8 3 5 6 催化剂种类对反应的影响3 9 3 5 7 温度对反应的影响4 0 3 5 8 脱硫反应过程中溶液c o d 变化4 1 3 6 反应产物的离子色谱分析4 2 3 6 1 样品前处理方法。4 2 3 6 2 标准溶液分离谱图4 3 v i t i 目录 3 6 3 样品分离谱图4 4 3 6 4 样品检测结果:4 7 3 7 小结4 9 第四章结论与展望5 1 4 1 结论5l 4 2 展望5 2 本论文创新点。5 3 参考文献5 5 致谢5 9 攻读硕士论文期间发表的学术论文及其它成果6 1 作者和导师简介6 3 。 i x 北京化工人学硕十学位论文 x c o n t 朗t s c o n t e n t s c h a p t e r 1 i n t l o d u c t i o n 。1 1 1b a c k 掣o u l :l d 1 1 2s o u r c e 加dc o m p o s i t i o no f s u l f h r _ c o n t a i n i n gc a u s t i cw a s t ew a t c r 1 1 3m a i np r o c e s s i n gm e t h o do f s u l 如r - c o n t a i l l i n gc a u s t i cw a s t ew a t e r 2 1 3 1n e u t r a l i z a t i o nm e t h o d 3 1 3 2p r e c i p i t 。l t i o nm e t h o d 3 1 3 3c o m p r e h e l l s i v eu t i l i z a t i o nm e m o d 4 1 3 40 x i d a t i o nm e t h o d 4 1 4e l e c t r o d l e l l l i c a lo x i d a t i o n 7 1 4 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fe l e c t r o c h a n i c a lo x i d a t i o nr e a c t i o n 7 1 4 2t h ec l a s s i f i c a t i o na n dc h o o s eo f e l e c t r d d e 8 1 4 3t h e a p p l i c a t i o no f e l e c 仃0 c h 锄i c a lo x i d a t i o n 9 1 4 4t h ea d v a n t a g e so fe l e c t l oc :h 枷c a lo x i d a t i o n 1o 1 5a i rc a t a l y t i co x i d a t i o n l1 1 5 1t h ep 血c i p l eo fa i rc a t a l y t i co x i d a t i o n 11 1 5 2t h ea p p l i c a t i o no fa i rc a t a l ”i co x i d a t i o n 1 1 1 5 3p h o s p h o t u n g s t i ca c i dc a t a l y s t 1 2 1 6r e s e a r c hc o n t e n to ft b j sp a p e r 。13 c h a p t e r 2e l e c t r o c h e m i c a lt r e a t m e n to fs o d i u ms u l l f i d es o l u t i o n 1 5 2 1t h e p r i n c i p l eo f t l l ee x p e r i m e n t 1 5 2 2e x p 嘶m e n t a lm a t e r i a l sa i l di n s 伽加 1 e n t s 16 2 3d e t e c t i o nm e t h o do fs u l 矗j ri o n 17 2 3 1p r e p a r a t i o no f r e a g e n t s 1 7 2 3 2p r e 仃e a t m e n t l8 2 3 3d e t e m i n a t i o n 18 2 4e l e c t r 0 1 y s i sw i m p u r et i t a l l i u mp l a t ee l e c t r o d e 18 2 4 1e l e c 缸d l y s i ss e t u p 18 2 4 2e x p 谢m e l l t a lp r o c e s s 2 0 2 4 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 0 2 5e 1 e c 仃o l y s i sw i ms t a i n l e s ss t e e lp l a t ee l e c t r o d e 2 1 北京化工人学硕上学位论文 2 6e 1 e c 仃0 1 y s i sw i t hm t l l e l l i u mp l a t e dt i t a l l i u mn c t se l e c t r o d e 2 1 2 6 1e q u i p m e n to f t h er e a c t i o n 2 l 2 6 2t h ei m p a c to fc o n c e n n a t i o no f n a c l 2 2 2 6 3t h ei m p a c to fo p e r a t i n gv 0 l t a g e 2 3 2 6 4t h ei m p a c to f i n i t i a lc 0 n c e n t r a t i o no fs 2 2 3 2 6 5t h ei m p a c to f p l a t es p a c i n g 2 4 2 6 6t h ei m p a c to f m i x i n g 2 5 2 6 7e l e c n o c h e m i c a ld e s u l 如r i z a t i o no fw 嬲t ew a t e rw i t hl l i 曲c o n c e n 仃a t i o no fs 厶2 6 2 6 8t i l ei m p a c to fc a t a l y s t s 2 7 2 7b r i e f 蜘l m m 龇y 2 8 c h a p t e r 3a i rc a t a l y t i co x i d a t i o nt r e a t m e n to fs o d i u ms u l f i d es o l u t i o n 2 9 3 1t l l e 研n c i p l eo f t l l ee x p e r i m e n t 2 9 3 2e x p 嘶m 饥t a lm a t 砸a l s 觚di n s 饥i m e n t s 3 0 3 3a i rc a t a l 矿i co x i d a t i o ni naf l a s kw i mb u b b l i n gd e v i c e 31 3 3 1m n 2 + f e 2 + 觞m ec a t a l v t i c 3 2 3 3 2p h o s p h o t i m 笋t i ca c i d 嬲t h ec a t a l y s t 3 3 3 4a i rc a t a l 如co x i d a t i o ni nad o u b l en l b er e a c t o rw i mb u b b l i n gd e v i c e 3 4 3 4 1e q u i p m e n to f t h er e a c t i o n 3 4 3 4 2m n 2 + f e 2 + 嬲t h ec a t a l v t i c 3 5 3 5a i rc a t a l 如co x i d a t i o ni nad o u b l et i l b er e a c t o rw i m9 2 l sd i s t r i b u t o r i - 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1 饱和溶解氧浓度,m g l 1 氧转移速率,m g ( l s ) - 1 活化能,j 仰o r l 速率常数 溶解氧在液体中总传质系数,s - 1 物质的量,m o l 摩尔气体常量,j ( m o l k ) - 1 热力学温度,k 北京化工大学硕上学位论文 x v l 第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 在乙烯生产及催化裂化炼油过程中,都会产生大量的含硫化钠废碱液。这些废碱 液往往具有很高的c o d 、p h 值,含有大量的硫化物和酚类,占到化工厂、炼油厂主要 污染排放物的2 0 v 3 0 ,使这些石化类企业的正常运转和污水排放合格率受到影响。 其中,硫以无机离子和有机硫醚、硫醇等形式存在,易散发出恶臭的硫化氢气体,如 不经过处理直接排放,将对生态环境和人员的健康产生恶劣的影响,并有可能造成二 次污染。因此,近年来废碱液的脱硫处理,得到了众多企业和科研人员的重视,如何 使这些碱液不污染环境,又能变废为宝,成为有利用价值的产品,成为业界普遍关注 的热点。 1 2 工业含硫废碱液的来源及组成 按来源不同,工业含硫废碱液主要有两种,即乙烯废碱液和炼油废碱液。 乙烯废碱液也称化工废碱液。工业上生产乙烯时,要采用高温裂解的方法【嵋】,裂 解气中含有酸性气体,主要包括硫化氢和二氧化碳。为了不影响后续生产的分离和加 氢催化过程,这些硫化氢气体要用碱洗的方法脱除,即用碱洗塔使氢氧化钠与硫化氢 反应,由此产生了大量的硫化钠、碳酸钠,以及过剩的氢氧化钠,这些形成了乙烯废 碱液。典型的乙烯废碱液【4 】组成如表1 1 所示。 表1 1 乙烯废碱液的组成 t a b l e1 - 1t h ec o m p o s i t i o no fs p e n tc a u s t i co f e t h y l e n e 在炼油厂的生产过程中,由于油品中本身含有硫醇、硫化氢等硫化物及酸性杂质 【3 1 ,也需要进行碱洗,尤其是液化气及汽油碱洗工序。由此产生的大量废碱液硫化物 浓度高、颜色深、难降解,且成分复杂、有毒,呈恶臭气味【5 1 ,是石油炼制企业的主 要污染物之一,已被列入国家危险废物名录( 编号为h w 3 5 ) 。同时,这类污水仅使 l 北京化t 大学硕士学位论文 用普通处理系统时会对其生化系统形成破坏,同时大量散发恶臭气体 4 1 。因此,废

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