电场强化臭氧传质的试验研究

论文摘要

臭氧由于其强氧化特性,被广泛应用于氧化分解难降解污染物和杀菌消毒中,但在实际应用中臭氧液相传质效率低,制约了臭氧技术的推广应用。本文提出了利用电场强化臭氧传质的新方法,并进行了实验研究。利用有限元的方法研究了非均匀电场作用下的气液两相系统中气泡行为特征,阐明了电场强化传质的机理；考察了电源参数、放电参数和介质物理参数对传质效率的影响规律；以革兰氏阴性菌大肠杆菌、不动杆菌作为模式生物,研究了高浓度臭氧水杀菌效果,得出臭氧水杀菌效果的剂-效关系及其动力学模型。主要研究结论如下：1)非均匀电场作用下,气泡水平两侧电场强度有所增加,气泡顶部和底部的电场强度有所减小；气泡顶部和底部电场强度并不呈对称分布,在气泡顶部场强达到最小值167.74KV/m；在沿气泡表面顶部外法线方向,场强梯度最大；气泡内的场强不为零,比未引入电场前气泡内部电场强度增大约50%。2)非均匀电场作用下,气泡因表面所受电应力分布的不均而不再呈规则球形,而是沿与电场相平行的方向拉长,最终变成扁长椭球形；且随着场强的增加,气泡变形量加剧。当形变达到一定程度后,气泡失稳破碎成超微细气泡。3)随着脉冲电压的增加,水中臭氧质量浓度相应增大,总传质系数相应升高、气液混合装置溢出尾气中臭氧浓度相应减小；当脉冲电压升到2000 V时,水中臭氧质量浓提高了43.1%,总传质系数提高了89.11%。4)电极距离在1-3 cm变化时,随着电极距离的提高,水中臭氧质量浓度相应增大,总传质系数相应升高、气液混合装置溢出尾气中臭氧浓度相应减小；3 cm时的传质效果最优,1 cm时的传质效果最劣：较小的通气流量有利于提高传质效果,Q=60ml/min的臭氧传质效果均好于Q=100ml/min。5)高浓度臭氧水对所选择的模式生物（大肠杆菌、不动杆菌）均有很强的杀灭作用。随着施加臭氧水剂量（浓度）的上升,模式生物的灭活率显著上升；在1ml的大肠杆菌菌液中滴加2500 u L臭氧水就可以将浓度约为106 CFU/ml的大肠杆菌全部杀灭；在lml的不动杆菌菌液中滴加1750 u L臭氧水就可以将浓度约为106 CFU/ml的不动杆菌全部杀灭,而且杀灭细菌效果持久,均无细菌再生现象。6)大肠杆菌对于高浓度臭氧水的抗性大于不动杆菌,其灭活速率K值分别为0.192min-1、0.2799min-1, Chick一级反应动力学模型能够体现出大肠杆菌、不动杆菌的灭活特性,所得结论与实验结果一致。本文所提出的电场强化臭氧传质方法,具有臭氧和水的接触反应充分、溶解速度快,臭氧气体利用率高、传质效率高、能耗低、操作简单、便于维护等优点,有着非常乐观的发展前景,能够促进臭氧技术更进一步的推广应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1. 课题研究背景及目的
• 1.2. 国内外研究进展
• 1.2.1 机械方式强化传质
• 1.2.2 电场强化传质
• 1.2.3 超声场强化传质
• 1.2.4 研究趋势
• 1.3. 课题研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 创新点
• 1.4. 本章小结
• 第二章 电场强化臭氧传质机理分析
• 2.1. 引言
• 2.2. 电场数学模型
• 2.2.1 物理问题描述
• 2.2.2 电场控制方程及边界条件
• 2.3. 气液混合反应器空间电场分布计算
• 2.3.1 气液混合反应器初始状态空间网格化分
• 2.3.2 气液混合反应器空间等势线及等势面分布
• 2.3.3 气液混合反应器空间电场强度分布
• 2.4. 气泡对气液混合反应器空间电场分布的影响
• 2.4.1 两相系统网格划分
• 2.4.2 气泡内部及周围空间等势线分布
• 2.4.3 气泡内部及周围空间电场强度分布
• 2.5. 气泡形变破碎原因分析
• 2.6. 本章小结
• 第三章 电场强化臭氧传质的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验方案
• 3.2.3 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 脉冲电压对臭氧传质效果的影响
• 3.3.2 电极距离对臭氧传质效果的影响
• 3.3.3 通入气量对臭氧传质效果的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 高浓度臭氧水杀菌效果的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与仪器设备
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 仪器设备
• 4.3 实验方案及检验方法
• 4.3.1 菌种的培养及样品制作
• 4.3.2 实验方案
• 4.3.3 杀菌效果的检验
• 4.3.4 高浓度臭氧水制备与含量测定
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 高浓度臭氧水对大肠杆菌的杀灭效果
• 4.4.2 高浓度臭氧水对不动杆菌的杀灭效果
• 4.4.3 高浓度臭氧水对两种菌杀灭效果的动力学分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所发表的学术论文