有机污染物电化学氧化反应器的流体动力学和传质性能研究

论文摘要

有机污染物的电化学氧化指的是在外电场的作用下污染物在阳极表面上发生直接电化学反应,或利用在电极表面产生的强氧化性活性物种使污染物发生转化。电化学氧化法处理有机污染物具有无二次污染、环境兼容性好、反应条件温和、易于自动控制等优点,是一种具有应用前景的有机污染物处理技术。但是,该技术在实际应用过程中还存在一些亟待解决的问题,如电化学反应器的电流效率低、传质性能差等。因此,本论文以电化学法处理有机污染物的“绿色”技术实现工业化为目的,对有机污染物降解动力学、电化学反应器流动和传质的工程问题开展一系列应用基础研究。（1）电催化氧化技术处理实际化工废水的研究使用二维或三维电极反应器对某炼油厂的反渗透浓缩水和某氯醇法生产环氧丙烷过程中产生的皂化废水进行处理,取得了良好效果。反应器型式、电流密度、通电时间、电解液流速、电极材料和相对面积等都是影响处理效果的重要因素,但实际有机废水的处理过程中存在能耗高、电极“堵塞”、有机污染物的降解机理及降解过程动力学等问题,需要我们开展相关的电化学工程理论研究。（2）有机污染物的电催化氧化降解动力学的研究研究了有机物草酸在采用活性Ti/IrO2-Ta2O5电极为阳极的圆柱形电化学反应器中的整个降解过程。由于有机污染物的电催化降解包含两条都属于“直接电氧化”的反应路径,建立了能描述整个降解过程的瞬时电流效率与溶液本体有机物浓度的关系式,并通过有机物降解实验对上述模型进行了验证,实验结果与模型计算结果一致。另外,还通过参数分析探讨了有机污染物在电极表面直接电催化氧化降解的两条路径的竞争关系。研究了氯离子存在条件下,使用Ti/IrO2-Ta2O5阳极时,有机物草酸在圆柱形电化学反应器中的间接电氧化降解过程。有机物在该体系中的电催化降解是典型的电化学反应-化学反应串联过程。当氯离子的添加浓度太少时,反应体系发生的主要是直接电氧化或氧气析出反应,电流效率很低。只有当有机废水中含有适量的氯离子时,间接电氧化才能体现出明显的降解效果。降解过程的pH值变化表明,反应开始阶段电解液呈强酸性不变,直到草酸的去除率达到80%以上,反应体系的pH值才有明显的增大。草酸在圆柱形电化学反应器中的间接电氧化过程符合一级反应动力学规律。由于Hatta准数的大小在0.1左右,草酸与活性氯的反应主要发生在溶液本体和电极表面扩散层／反应层中,这为电化学反应器的选型、设计和优化提供了有用的信息。（3）电化学反应器的流动特性和传质性能研究使用常见的脉冲响应技术测定了实验室规模的滤压式电化学反应器的停留时间分布。停留时间分布的拖尾现象说明反应器存在“死区”,随着流速的增大,拖尾现象减弱；在两条流动路径的假设基础上建立的组合流动模型可以较好的描述具有双峰现象的停留时间分布。其中路径1是指穿过电极的流体,路径2是指是沿着滤压式电化学反应器的内部壁面流动的流体。组合流动模型的参数受流速和电极结构的影响。与具有较大平均停留时间的路径2有关的模型参数受流速的影响较大,这是由于反应器中的流体流动起强化对流和减小水力边界层厚度的作用,而电极结构对流动性能的影响体现在路径1上。用极限电流法对竖直放置的管式电极反应器的平均传质系数的测定结果表明,反应器的平均传质系数随着入口扩大系数的减小而增大,但与入口流道的数量和分布无关。CFD模拟结果解释了传质提高的原因：当入口扩大系数减小时,反应器入口的下游出现了射流,并且由于射流的卷吸和扩展,电解液的湍流程度加剧,起到了强化传质的作用。网状电极对管式平行电极反应器传质强化的研究表明,使用网状电极后,电解液的流动模式由平板电极的层流变为湍流,电极表面的水力边界层厚度减小网状电极通过强化对流提高了管式平行电极反应器的传质性能。CFD数值模拟结果与实验结果的比较表明,CFD模拟过程中所做出的关于Nernst扩散层的假设是正确的。CFD数值模拟方法可以弥补实验条件的不足,对电化学反应器单相流动的数值模拟能够较好的反映和预测反应器的传质性能。本论文基于有机污染物电化学降解机理,克服了已有文献中按照反应控制步骤分段讨论的缺点,建立了能描述整个降解过程的数学模型；并针对电催化氧化技术对反应器的特殊要求,提出了研究电极附近液层特征的新方法,完善了相关的电化学工程基础理论,为用于有机废水处理的电化学反应器的的设计和优化提供了有效的信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电化学方法在有机污染物处理过程中的应用
• 1.1.1 水资源现状和水体污染问题
• 1.1.2 有机废水的来源、危害和治理难点
• 1.1.3 水中有机污染物的处理方法
• 1.1.4 电化学法处理有机污染物的优缺点
• 1.1.5 电化学法处理有机污染物的应用及研究现状
• 1.1.6 评价电化学法处理有机污染物过程的若干参数
• 1.2 电化学反应器的主要类型和发展趋势
• 1.2.1 电化学反应器及其组成
• 1.2.2 电化学反应器的设计原则
• 1.2.3 用于有机污染物处理的电化学反应器及其发展趋势
• 1.3 电化学工程学概述
• 1.3.1 电化学工程学概念的提出
• 1.3.2 电化学工程学的研究内容
• 1.3.3 电化学反应热力学和动力学
• 1.3.4 电化学体系中的传输现象
• 1.4 电化学法处理有机污染物过程中面临的电化学工程问题
• 1.4.1 问题的提出
• 1.4.2 研究目的和意义
• 1.4.3 研究内容
• 1.4.4 创新性
• 参考文献
• 第二章 电催化氧化技术在实际化工废水处理中的应用研究
• 2.1 引言
• 2.2 电化学催化氧化法处理炼油厂反渗透浓缩水
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.2.3 结论
• 2.3 三维电极反应器在环氧丙烷皂化废水资源化利用中去除有机物的应用研究
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.3.3 结论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 有机物在活性电极上直接电氧化降解的动力学研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂及仪器
• 3.2.2 实验装置及流程
• 3.2.3 测定方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 有机物在电极表面电催化氧化降解的机理
• 2-Ta₂O₅电极电催化降解草酸理论模型的建立'>3.3.2 活性Ti/IrO₂-Ta₂O₅电极电催化降解草酸理论模型的建立
• 3.3.3 模型验证
• 3.3.4 不同降解路径竞争关系的讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 氯离子存在条件下有机物的间接电氧化动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂及仪器
• 4.2.2 实验装置及流程
• 4.2.3 测定方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 氯离子存在条件下草酸的电化学降解过程
• 4.3.2 氯离子浓度对间接电氧化过程的影响
• 4.3.3 电解液流速对间接电氧化过程的影响
• 4.3.4 pH值对间接电氧化过程的影响
• 4.3.5 草酸间接电氧化过程的动力学特征分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 电化学反应器流动特性的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 滤压式电化学反应器的结构
• 5.2.2 停留时间分布的测定
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 滤压式电化学反应器的停留时间分布
• 5.3.2 滤压式电化学反应器的流动模型
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 电化学反应器传质强化的实验和数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验试剂及仪器
• 6.2.2 管式平行电极反应器的结构
• 6.2.3 传质系数的测定
• 6.2.4 计算流体力学模拟
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 入口射流对管式平行电极反应器传质的强化
• 6.3.2 网状电极对管式平行电极反应器传质的强化
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 作者简介及攻读博士学位期间所取得的科研成果
• 致谢