光催化处理页岩气返排水研究及应用开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

页岩气作为重要的非常规天然气资源,已成为全球油气资源勘探与开发的新亮点,但其特殊的钻采开发技术可能带来新的环境污染问题。尤其是在页岩气压裂作业过程中使用压裂液添加剂对压裂施工提供帮助,产生并污染大量压裂返排废水,常见的压裂液添加剂包括以下几种[1]

表1-压裂液主要添加剂

添加剂类型

主要化合物

作用

盐酸

有助于溶解矿物和遭缝

抗菌剂

戊二醛

清除生成腐蚀性产物的细菌

破乳剂

过硫酸铵

使凝胶剂延迟破胶

缓蚀剂

甲酰胺

防止套管腐蚀

交联剂

硼酸盐

当温度升高时保持压裂液的粘度

减阻剂

原油馏出物

减小清水的摩擦因子

凝胶

瓜尔胶或羟乙基纤维素

增加清水的浓度以便携砂

铁离子控制剂

柠檬酸

防止金属氧化物沉淀

防塌剂

氧化钾

使携砂液卤化以防止流体与地层黏土反应

pH调整剂

碳酸钠或碳酸钾

保持其他成分的有效性

防垢剂

乙二醇

防止管道内结垢

表面活性剂

异丙醇

减小压裂液的表面张力

页岩气返排废水含有多种有机和无机化合物,同时具有较高的盐度和多种化学添加剂、金属元素以及自然产生的放射性元素。目前页岩气开采相关的废水一部分被回用或回注,一部分被输送到污水处理厂,甚至还有部分废水被直接排放到水道和海域,这给饮用水和水生生物带来了严重威胁。随着《水污染防治行动计划》(即“水十条”)的出台,将在污水处理、工业废水、全面控制污染物排放等多方面进行强力监管并启动严格问责制,铁腕治污将进入“新常态”。同时随着环保意识的不断增强,这也使得页岩气返排水的排放标准越来越高[2]

半导体光催化是一种绿色技术,可以在温和条件下,通过直接利用太阳光来驱动一系列重要的化学反应,将低密度的太阳能转化为高密度的化学能或直接降解和净化环境污染物,在解决能源短缺和环境污染等问题方面表现出巨大的潜力。与传统的净化环境污染物的方法相比较,光催化技术降解法具有操作简单、原材料丰富、反应条件温和、反应速度快、对有机污染物没有选择性、能够完全降解矿化污染物和节能环保等优点[3]

含金属光催化剂材料种类繁多,在光催化领域发挥重要作用,但含金属材料中往往包含稀有金属,来源少,不适合大规模研究和应用。从光催化实际应用的角度考虑,无金属光催化剂拥有更多的优势,在实际应用中有着很大的潜力。因为无金属光催化剂大多储存丰富、廉价,容易获得,且对环境没有二次污染。近年来,研究发现了几种具有可见光光催化活性的无金属聚合半导体光催化剂,如α-S8、红磷、g-C3N4等。特别是g-C3N4目前受到国内外广泛关注,它除了具有无金属光催化剂的优点之外,电子结构和性能还易于调控,且抗酸、碱、光的腐蚀,物理化学稳定性好;且它的带隙约2.7eV,能带位置分布适中,可直接利用可见光[4]

尽管光催化反应可以将有机污染物分解矿化为无机物、二氧化碳和水。但是目前在规模处理或工业化处理方面还没有突破性进展。但光催化材料和光催化处理方法等都具有很好的发展前景[5]

针对以上两种现状,本次实验目的在于利用g-C3N4进行可见光催化,对页岩气返排水中的污染物进行降解,使之能够达标排放,减少其对环境的污染;以及探究所用 g-C3N4的性能。

综上可知,本研究方向具有重大的意义。首先,通过g-C3N4利用光催化对页岩气中的有机污染物进行可见光降解,在温和的条件下对污水中TOC浓度大幅降低;其次,通过实验方法对 g-C3N4进行改性,从而提高其光催化效率,并探究该方案的实际可行性;最后,对于我个人的研究技能的锻炼及综合能力的提高也有重要的意义。


2. 研究的基本内容与方案

基于半导体材料的光催化技术不仅可以利用太阳能治理环境污染,而且还能直接将太阳能转化为燃料,因而被誉为人类解决能源短缺和环境污染的绿色新技术和理想途径。

半导体光催化技术实用化的关键是高效、稳定且宽光谱响应的光催化材料。

尽管目前研究的光催化材料品种繁多,但能满足上述性能且达到实用化需求的产品仍未出现,因此仍需大力开展新型高性能光催化材料的研发。

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3. 研究计划与安排

第1~2周:进行毕业实习,撰写毕业实习报告。


第3~4周:确定选题方向,查阅与课题有关的资料并对所收集的资料进行整理,明确研究内容,了解与确定研究方案,撰写开题报告。


第5~7周:了解课题组现研究成果。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 卢云霄等.页岩储层压裂技术进展与应用[M].北京,石油工业出版社,2016.
[2] 谢起航,焦淑倩,闫梦洋,周超,夏世斌等.页岩气返排水处理新工艺研究[J].武汉理工大 学学报.2015,37(6).
[3] 孙艺飞,活性炭纤维搭载TiO2光催化剂的制备及其光催化性能的研究[D].大连:大连理 工大学,2011.
[4] 董帆,孙艳娟,张育新等.石墨相C3N4的微纳结构调控及光催化环境净化应用[M].北京,科 学出版社,2018.
[5] 冯玉杰,孙晓君,刘俊峰等,环境功能材料[M].北京,化学工业出版社,2010
[6] 陈志鸿,新型具可见光活性光催化体系的设计、制备及其光催化性能与机理研究[D],广 州:华南理工大学,2016.
[7] Zhang Y, Mori T, Ye J, et al. Phosphorus-Doped Carbon Nitride Solid: Enhanced Electrical Conductivity and Photocurrent Generation[J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(33):11642-11648.
[8] Yue B, Li Q, Iwai H, et al. Hydrogen production using zinc-doped carbon nitride catalyst irradiated with visible light[J].Science and Technology of Advanced Meterials, 2011, 12(3):034401.
[9] Yin R, Luo Q, Wang D, et al. SnO2/g-C3N4 photocatalyst with enhanced visible-light photocatalytic activity[J]. Journal of Materials Science, 2014,49(17):6067-6073.
[10] Samanta S, Martha S, Parida K, et al. Facile Synthesis of Au/g‐C3N4 Nanocomposites: An Inorganic/Organic Hybrid Plasmonic Photocatalyst with Enhanced Hydrogen Gas Evolution Under Visible‐Light Irradiation[J]. ChemCatChem, 2014, 6(5):1453-1462.
[11] Zhang X, Peng T, Yu L, et al. Visible/Near-Infrared-Light-Induced H2 Production over g-C3N4 Co-sensitized by Organic Dye and Zinc Phthalocyanine Derivative [J]. ACS Catalysis, 2014, 5(2):504-510.
[12] Yan S, Li Z, Zou Z, et al. Photodegradation Performance of g-C3N4 Fabricated by Directly Heating Melamine[J]. ACS publications, 2009,25 (17):10397-10401.
[13] 李荣荣,王锐,宫红,姜恒等,高比表面积g-C3N4的制备及其改性研究进展[J].化工新型 材料.2017,45(1).
[14] Niu P, Liu G, Cheng H-M. Nitrogen Vacancy-Promoted Photocatalytic Activity of Graphitic Carbon Nitride[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(20):11013-11018.
[15] 刘春艳,纳米光催化及光催化环境净化材料[M].北京,化学工业出版社,2008.

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