光催化降解五氯苯酚过程及数值模拟研究

摘要

五氯苯酚是一种典型的有机氯农药，属于持久性有机污染物，对人类和环境具有很大的危害，对五氯苯酚处理技术的研究一直是国际关注的热点。本文采用了光催化降解技术来处理废水中的五氯苯酚，从光催化降解影响因素、降解过程分析以及工艺开发和过程数值模拟等方面进行了系统的研究。
　　 通过五氯苯酚在催化剂表面吸附等温线的测定，得到五氯苯酚在催化剂表面的吸附符合Langmuir吸附方程并获得相应吸附特性参数；推导得到了低浓度时五氯苯酚光催化降解的一级动力学方程；通过对五氯苯酚光催化降解过程的研究，检测到三种五氯苯酚光催化降解的中间体，分别为2，3，4，5-四氯酚、2，3，4，6-四氯酚和2，5-二氯酚。
　　 考察了溶液的pH值、催化剂投加量、紫外灯光强、曝气流速和过硫酸钾投加量对光催化降解五氯苯酚的影响进行研究，发现在光催化降解水中五氯苯酚过程中，溶液pH值越大越利于降解反应进行，紫外灯光强越大降解越快，而曝气流速、催化剂投加量和过硫酸钾投加量分别存在较优值。通过TOC的检测和亚甲基兰的退色反应验证了超声波对光催化降解五氯苯酚有明显的协同促进作用。
　　 将超声、光催化和微滤膜有机结合，开发出新型的膜外置式超声协同光催化反应器，并利用响应面实验设计方法获得应用该反应器光催化降解五氯苯酚在TiO2投加量0.97g，气体流速0.19m3·h-1，K2S2O8投加量17.00mg的操作条件下降解效率最高，降解率可达98.6％。
　　 分析光催化降解五氯苯酚反应所具有的动力学特点，结合反应速率表达式的分析，采用计算流体力学的方法对该光催化反应进行数值模拟，并利用实验数据对模拟结果的可信度进行了验证。在此基础上选用两相流模型对反应器内流场和质量场进行模拟计算，结果得到单股上方进料的方式要优于单股下方进料的方式；单股倾斜进料时，60°夹角进料的方式最佳。

目录

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英文文摘

声明

前言

第一章 文献综述

1.1持久性有机污染物(POPs)的概况及危害

1.1.1确定持久性有机污染物(POPs)的标准

1.1.2持久性有机污染物(POPs)的危害

1.1.3持久性有机污染物(POPs)在我国污染状况

1.1.4持久性有机污染物(POPs)的治理技术

1.1.5五氯苯酚的概况及危害

1.1.6五氯苯酚样品预处理及分析方法

1.2光催化氧化技术

1.2.1高级氧化技术的发展及其特点

1.2.2光催化技术的发展

1.2.3影响光催化效果的因素

1.2.4光催化氧化的机理

1.2.5光催化氧化技术与其它技术联用

1.3光催化反应器的选型

1.3.1均相反应器

1.3.2非均相反应器

1.4光催化反应器与膜分离联合技术

1.4.1膜分离技术在水处理方面的应用概况

1.4.2膜技术在光催化氧化技术中的应用概况

1.5本文的主要研究内容

第二章 光催化降解水中五氯苯酚的实验研究

2.1五氯苯酚样品处理

2.1.1主要试剂和仪器

2.1.2分析条件

2.1.3预处理方法的确定

2.1.4标准曲线

2.2五氯苯酚在催化剂表面的吸附

2.2.1平衡吸附类型研究

2.2.2吸附量的确定

2.3光催化降解五氯苯酚的动力学研究

2.3.1多相催化反应

2.3.2方程的动力学推导

2.3.3一级反应动力学方程的验证

2.4光催化降解效果及中间体检测

2.4.1降解效果的TOC检测和脱氯效果的检测

2.4.2光催化降解五氯苯酚过程中间体的检测

2.5反应条件对光催化降解五氯苯酚的影响

2.5.1催化剂用量对光催化降解五氯苯酚的影响

2.5.2光强对光催化降解五氯苯酚的影响

2.5.3 pH值对光催化降解五氯苯酚的影响

2.5.4不同曝气量对光催化降解五氯苯酚的影响

2.5.5加入过硫酸钾K2S2O8量对光催化降解五氯苯酚的影响

2.6超声协同光催化降解五氯苯酚的实验研究

2.6.1超声协同对光催化降解五氯苯酚的影响

2.6.2降解效果的TOC检验

2.6.3超声协同光催化羟基自由基生成实验

2.7本章小结

第三章 五氯苯酚光催化工艺研究

3.1五氯苯酚光催化装置的建立

3.1.1概述

3.1.2反应装置的建立

3.2中空纤维膜单元

3.2.1中空纤维膜穿透实验

3.2.2中空纤维膜系统产水速率的控制

3.3光催化降解水中五氯苯酚反应条件优化实验

3.3.1实验主要试剂、仪器和实验方法

3.3.2响应面实验设计方法

3.3.3响应面法拟合与分析原理

3.3.4响应面实验设计及模型拟合

3.3.5结果与讨论

3.3.6模型的验证

3.4本章小结

第四章 光催化反应的反应动力学研究及其模拟计算

4.1反应机理

4.2反应动力学

4.3反应模型

4.3.1源项

4.3.2源项系数

4.4前处理

4.4.1几何结构及网格划分

4.4.2进料性质

4.4.3反应源项的确定

4.4.4设置步骤

4.5模拟结果与讨论

4.6本章小结

第五章 反应器内两相流场的CFD模拟及反应器结构优化

5.1多相流模型

5.2前处理

5.3模拟结果分析

5.3.1速度流线图

5.3.2催化剂体积分率

5.4反应器结构优化

5.4.1方案一——单股倾斜进料

5.4.2方案二——两股进料

5.4.3基于最佳降解率的反应器优化结构

5.5本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢