臭氧催化氧化难降解有机物的过渡金属催化剂制备及反应器模拟

摘要

我国每年废水排放量巨大，工业废水成分复杂且难处理。传统的生化方法对较难降解的有机物处理后废水还不能达标排放，因此我们急需寻找廉价又能有效去除难降解有机物的废水处理方法。故本文以工业废水为研究对象，对深度处理工艺中的臭氧催化氧化有机物的催化剂进行深入研究。
　　以直径为3～5mm的γ-Al2O3球做载体，通过等体积浸渍法制备了不同的过渡金属催化剂，以次甲基蓝染料废水处理前后的COD值对催化剂进行评价，对过渡金属以及制备条件进行了筛选。结果显示，在Mn-Ce双金属催化剂体系中添加过渡金属Cu的三金属催化剂效果最佳，Cu、Mn和Ce三种金属配比为2∶2∶2和3∶1∶3条件下制备的催化剂效果最佳，制备催化剂最佳的浸渍时间为12h、煅烧温度为450℃、煅烧保温时间为3h、浸渍液pH为13。对次甲基蓝染料废水及酚酮工业废水进行臭氧催化氧化实验，以废水处理前后的COD值对催化剂进行活性评价。对比了不同臭氧投加量和液相流速下的废水处理情况，发现液相速度越小臭氧投加量越大，越有利于臭氧催化反应，废水中有机物去除率越高，颜色去除越多，200mg/L以后基本呈无色。Cu、Mn和Ce三种金属配比为3∶1∶3条件下制备的催化剂，对次甲基蓝废水COD去除效果最佳，300mg/L臭氧投加量COD去除率可达60.61％,Mn和Ce配比为2∶2的双金属催化剂处理酚酮工业废水效果最佳，300mg/L臭氧投加量去除率可达44.25％。同一催化剂对成分单一的染料废水，处理效果要远远好于成分复杂且有机物种类多的工业废水。
　　利用Ansys系列中的Fluent流体模拟软件建立二维模型，对实验反应器模型及工业鼓泡塔模型进行流场模拟。实验反应器为高1000mm，宽50mm的二维模型，反应器液相入口速度为4L/h，气相入口速度为0.35L/min。工业鼓泡塔模型为高5.5m，宽3m的二维模型，液相入口速度80m3/h，气相入口速度为400m3/h。选取了VOF多相流模型且为层流流动，反应器内部催化剂设为多孔介质，选择可变时间步进行计算。研究了气相流速、液相流速、反应器高径比、气体分布器、臭氧投加量、气相浓度的变化对反应器内部气含率、压力分布、速度分布以及相分布等流场情况的影响。结果显示，两个模型的气液相速度均较为合理，分布器孔数6或8最合适，实验反应器的高径比较为合理，鼓泡塔的尺寸应根据实际处理量进行设计。臭氧投加量200mg/L时，实验反应器最佳气相浓度为30mg/L，工业鼓泡塔最佳气相浓度为50mg/L。空气源产生的臭氧浓度低，所以工业上使用氧气源。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 工业废水种类

1．2 废水处理技术

1．3 臭氧催化氧化技术

1．4 臭氧催化氧化催化剂研究现状

1．5 CFD计算流体力学及Fluent概述

1．5．1 CFD概述

1．5．2 常见CFD软件分析

1．5．3 Fluent流体模拟

1．6 数值求解方法

1．7 Gambit概述

1．8 多相流概述

1．8．1 分类及特点

1．8．2 多相流模型模拟方法

1．8．3 多相流模型的选择

1．8．4 多相流研究现状

1．8．5 鼓泡塔研究现状

1．9 课题研究内容及目的

第二章 实验材料、设备及方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备

2．3 实验方法

2．3．1 臭氧催化氧化实验方法

2．3．2 水样COD值测试方法

第三章 过渡金属催化剂的制备及条件优化

3．1 催化剂载体

3．2 活性组分

3．3 制备方法

3．4 催化剂制备步骤

3．5 制备条件的研究

3．5．1 活性金属的研究

3．5．2 金属配比的研究

3．5．3 浸渍时间的研究

3．5．4 煅烧温度的研究

3．5．5 保温时间的研究

3．5．6 浸渍液pH的研究

3．6 本章小结

第四章 运行条件、废水及催化剂种类对废水处理效果的影响

4．1 液相流速对废水处理效果的影响

4．1．1 处理次甲基蓝染料废水

4．1．2 处理工业废水

4．2 臭氧投加量对废水处理效果的影响

4．3 催化剂对不同废水的处理效果对比

4．3．1 染料废水

4．3．2 工业废水

4．4 不同催化剂对废水处理效果对比

4．4．1 双金属催化剂

4．4．2 多金属催化剂

4．5 本章小结

第五章 实验反应器内部流场的数值模拟

5．1 模型建立

5．2．1 阻力损失

5．2．2 雷诺数

5．3 控制方程

5．3．1 质量守恒方程

5．3．2 动量守恒方程

5．3．3 流体体积函数方程

5．4 网格划分及网格无关’性验证

5．5 模拟结果分析

5．5．1 气相流速对反应器内部流场的影响

5．5．2 液相速度对反应器内部流场的影响

5．5．3 高径比对反应器内部流场的影响

5．5．4 气体分布器对反应器内部流场的影响

5．5．5 臭氧投加量对反应器内部流场的影响

5．5．6 气相浓度对反应器内部流场的影响

5．6 本章小结

第六章 工业级鼓泡塔内部流场的数值模拟

6．1 模型建立

6．2 网格无关性验证

6．3 模拟结果分析

6．3．1 气相流速对反应器内部流场的影响

6．3．2 液相速度对反应器内部流场的影响

6．3．3 气体分布器对反应器内部流场的影响

6．3．4 臭氧投加量对反应器内部流场的影响

6．3．5 气相浓度对反应器内部流场的影响

6．4 本章小结

第七章 总结

参考文献

致谢

作者和导师简介