外場強化光催化與氣—液反應(yīng)處理污染物的過程分析.pdf

1、工業(yè)廢水尤其是含內(nèi)分泌污染物、偶氮染料及重金屬廢水的處理，一直備受關(guān)注，主要原因是這些污染物即使在較低的濃度也表現(xiàn)出較大的環(huán)境危害和毒性風(fēng)險。在各種物化處理方法中，TiO2非均相光催化是處理難降解有機污染物的一種很有前景的方法，由于該方法具有可利用太陽能的優(yōu)點而受到重視;空氣吹脫法在去除廢水中揮發(fā)性污染物方面因具有過程簡單、成本較低等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。但是，TiO2非均相光催化存在液相中光催化劑易于團聚、失活、分離回收困難，以及由于光

2、催化劑團聚引起的反應(yīng)體系中氣—液—固相間傳質(zhì)限制與光源傳遞限制等問題;空氣吹脫是一個涉及氣—液相間傳質(zhì)的廢水處理過程，由于實際廢水處理過程中往往存在固體物質(zhì)，使得常用的填料塔等氣—液反應(yīng)設(shè)備中存在填料結(jié)垢和堵塞等工程問題，其處理過程效率也有待提高。因此，研究這些廢水處理過程中涉及的多相反應(yīng)過程的強化方法，并開發(fā)與此相適應(yīng)的新型反應(yīng)器，對于廢水處理技術(shù)的創(chuàng)新具有十分重要的意義。為此，本論文開展了超聲波強化納米TiO2多相光催化;循環(huán)流化床

3、技術(shù)強化微米級稀土摻雜TiO2多相光催化;靜態(tài)超重力場強化氣—液反應(yīng)等污染物處理過程的研究，對強化處理過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，著重在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、構(gòu)—效關(guān)系量化、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流型分析等方面，構(gòu)建了超聲波和流態(tài)化技術(shù)強化TiO2多相光催化和靜態(tài)超重力強化氣—液反應(yīng)去除污染物的新方法。主要研究內(nèi)容如下:
　　1、設(shè)計了一種新的循環(huán)式超聲直接強化光催化反應(yīng)器，以解決懸浮漿態(tài)TiO2光催化反應(yīng)體系中納米光催化劑易于團聚及其對相間質(zhì)量傳

4、遞和光傳遞的限制問題。
　　針對懸浮漿態(tài)TiO2光催化反應(yīng)體系出現(xiàn)的光催化劑易于團聚失活的問題，研究采用超聲場強化TiO2光催化多相反應(yīng)過程，來提高處理效率。實驗設(shè)計了一種新的循環(huán)式超聲直接強化光催化反應(yīng)器，用以處理偶氮染料——甲基橙，實驗研究了過程操作參數(shù)對處理效果影響。研究表明，超聲和光催化過程在該反應(yīng)器中實現(xiàn)了有效協(xié)同，產(chǎn)生了明顯的協(xié)同效應(yīng)，處理效果優(yōu)于兩種單獨過程處理效果之和。最優(yōu)操作參數(shù)為超聲功率600W、TiO2光催化

5、劑濃度3g/L、循環(huán)流速4.05×10-2m/s、氣流量200ml/min。在最優(yōu)條件下，處理1h甲基橙的降解率可達(dá)91.74％，降解速率常數(shù)達(dá)3.96×10-2min-1，超聲與TiO2光催兩個反應(yīng)過程之間的協(xié)同因子高達(dá)2.26。超聲光催化處理過程中，光催化起主導(dǎo)作用，超聲主要起協(xié)同強化作用，可提高污染物的降解效率，但并不改變前者的降解變化趨勢。
　　2、以稀土Gd摻雜的微米TiO2為光催化劑，結(jié)合固體流態(tài)化思想，設(shè)計了一種光源

6、內(nèi)置式氣-液-固三相循環(huán)流化床光催化反應(yīng)器，研究了內(nèi)分泌干擾物—雙酚A在該光催化反應(yīng)體系中的降解，對處理過程進(jìn)行了分析評價。構(gòu)建了基于顆粒型TiO2光催化劑與流態(tài)化技術(shù)相結(jié)合的光催化處理新方法，解決了光催化體系中納米催化劑難于回收利用的問題。
　　針對懸浮漿態(tài)TiO2光催化反應(yīng)體系存在的納米光催化劑易于團聚失活、且難以分離回收，無法用于實際廢水處理等缺點。提出了使用易于沉降分離的微米級稀土Gd摻雜TiO2光催化劑，與新設(shè)計的光源內(nèi)

7、置式氣-液-固三相循環(huán)流化床相結(jié)合的光催化反應(yīng)體系，顆粒流態(tài)化強化光催化反應(yīng)過程，提高處理效果。實驗以雙酚A為模型物，先優(yōu)化了新反應(yīng)體系的操作參數(shù);然后在最優(yōu)操作條件下，從處理效果和沉降性能上與常用的P25-TiO2反應(yīng)體系進(jìn)行了對比;最后采用響應(yīng)曲面法對新反應(yīng)體系進(jìn)行了優(yōu)化。研究表明:對于新的反應(yīng)體系，最優(yōu)操作參數(shù)為TiO2濃度為4.5g/L，表觀氣速為7.83×10-3m/s，表觀氣速為8.65×10-3m/s。與常規(guī)的P25-Ti

8、O2粉末反應(yīng)體系相比，該反應(yīng)體系具有更好的光催化性能和光催化劑沉降性能，實際光催化效率是后者的3倍。通過響應(yīng)曲面法建立的模型，可對該反應(yīng)體系處理的效果進(jìn)行優(yōu)化和評估。
　　3、水力噴射—空氣旋流器(WSA)中射流流型分析，為利用靜態(tài)超重力強化氣—液反應(yīng)處理污染物提供了過程調(diào)控與操作參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。
　　水力噴射空氣旋流器是一種利用液體射流與氣體旋流耦合場和靜態(tài)超重力場強化氣—液反應(yīng)過程的新型高效反應(yīng)器。由于其內(nèi)部無填料和反應(yīng)

9、介質(zhì)的高速旋轉(zhuǎn)剪切流動，因而可以避免實際廢水處理過程中設(shè)備內(nèi)部填料的結(jié)垢和堵塞問題，具有自清潔功能。為了進(jìn)一步提高靜態(tài)超重力場強化氣—液傳質(zhì)效率，認(rèn)識射—旋流體系氣—液傳質(zhì)機理，為反應(yīng)過程調(diào)控與操作參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)，首先采用了直接觀察法對水力噴射—空氣旋流器(WSA)中的射流流型進(jìn)行了系統(tǒng)研究，繪制出了不同進(jìn)口氣速下射流流型圖。然后，結(jié)合化學(xué)吸收法（CO2—空氣—NaOH體系）測定了不同射流流型下的有效相界面積α，并將流型和α進(jìn)行關(guān)聯(lián)分

10、析，以便證實流型劃分的科學(xué)性。結(jié)果表明，在低射流流速(≤4.42m/s)下，液相射流隨著進(jìn)口氣速增大，主要存在穩(wěn)態(tài)射流、變形旋線射流、破碎旋線射流、霧化旋線射流、貼壁霧化旋線射流五種流型;在高射流流速（≥6.19m/s）下，射流主要出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)射流、破碎旋線射流以及霧化旋線射流三種流型。有效相界面積α與流型有關(guān)，霧化旋線射流下的α值大于其他流型下對應(yīng)值，但低流速下的貼壁霧化，不利于氣液兩相充分接觸、作用，對應(yīng)α值較小。α值與射流流速有一定關(guān)

11、系，隨著射流速度的增大而略有增大，且隨著射流流速增大至8.84m/s以上，增大的幅度變大。
　　4、水力噴射—空氣旋流器(WSA)的噴孔分布與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為實現(xiàn)靜態(tài)超重力強化氣—液反應(yīng)過程的設(shè)備設(shè)計提供了依據(jù)。
　　超重力場常用來強化氣—液傳質(zhì)，但目前采用的主要是動態(tài)超重力設(shè)備旋轉(zhuǎn)填充床，存在穩(wěn)定性差、能耗高、易結(jié)垢的缺點。本課題組開發(fā)了一種利用液體射流場和氣體旋流超重力場耦合強化氣—液傳質(zhì)的新型靜態(tài)超重力設(shè)備水力噴射—空氣旋

12、流器(WSA)。為了進(jìn)一步提高WSA的傳質(zhì)性能，本章采取理論分析與吹脫氨實驗相結(jié)合的方法，對其噴孔排布方式、噴孔間距、噴孔直徑進(jìn)行了優(yōu)化研究。提出了基于同層相鄰噴孔液相射流邊界層相交于WSA中心排氣管表面的臨界孔間距l(xiāng)c和反映射—旋流耦合傳質(zhì)特性的準(zhǔn)數(shù)，Jc的概念及其計算方法。研究表明，在吹脫氨傳質(zhì)性能上，WSA的射流噴孔按正方形排列優(yōu)于三角形排列;噴孔間距存在一個較優(yōu)取值，其值約等于1.28lc;通過數(shù)據(jù)擬合，得到了Jc的經(jīng)驗公式為J

13、c=2.77×10-9Reg0.37ReL1.18WeL-1.05，該式可較好地預(yù)測噴孔直徑對WSA脫氨傳質(zhì)性能的影響。噴孔直徑的最佳取值應(yīng)按dh=l0/6.39設(shè)計計算，l0為WSA的環(huán)隙寬度。
　　5、水力噴射—空氣旋流器(WSA)用于SO2還原處理高濃度含Cr(Ⅵ)廢水，建立了SO2還原法處理含Cr(Ⅵ)廢水新工藝。
　　含Cr(Ⅵ)廢水常采用SO2還原處理，一般采用填料塔、板式塔等設(shè)備，存在氣液傳質(zhì)效率低、投資大、易

14、結(jié)垢、堵塞等問題。本工作以SO2為還原劑，采用靜態(tài)超重力強化氣液傳質(zhì)設(shè)備——水力噴射空氣旋流器(WSA)對含鉻廢水進(jìn)行直接還原處理，并考察了廢水pH、液相射流流速、SO2濃度、Cr(Ⅵ)濃度等因素對處理效果的影響。研究結(jié)果表明:當(dāng)SO2濃度為3582mg/m3時，對Cr(Ⅵ)初始濃度為1134mg/L的模擬含鉻廢水，循環(huán)處理6min，Cr(Ⅵ)去除率可達(dá)99.9％以上。廢水初始pH為堿性比其為酸性條件下，更有利于SO2的吸收，提高了SO