湿式催化氧化/光催化深度处理载人航天器冷凝水的研究

论文摘要

载人航天器中,水是最大的生保消费品,而航天器中储水系统体积有限,若通过天地间往返运输补给,成本是难以接受的。对航天器中的冷凝水进行深度处理与回用,是解决航天员饮用水供给的重要途径。本文提出了湿式催化氧化光催化组合工艺深度处理冷凝水的技术方案。湿式催化单元采用无泡膜供氧催化氧化反应器,以Pt/AC为催化剂,氧气作为氧化剂以无泡的形式透过微孔膜进入催化反应区,参与催化反应,催化降解冷凝水中的有机污染物。反应器运行过程中无气泡产生,因此避免了微重力下的气液分离问题。采用乙二醇还原法制备Pt/AC催化剂;通过对几种试验膜供氧性能及影响因素的分析,最终采用聚四氟乙烯板式膜（0.45μm）作为反应器的供氧膜材料,工作压力低于泡点压力。以NH4F+甘油+水体系为电解液,采用阳极氧化法在钛表面制备了具有管状表面结构的TiO2纳米管,作为光催化单元的光催化剂。考察了制备电压、电流密度、电解液组成及退火温度对催化剂表面形貌及催化性能的影响。结果表明:电解液中H2O的含量对TiO2的表面形貌影响较大,水含量较低时,纳米管结构完整,排列整齐;在1wt%NH4F+67%甘油+33%水电解液体系中,电压1040V范围内,可形成规则纳米管结构;退火温度主要影响TiO2纳米管的晶型。光催化降解罗丹明B,反应符合一级动力学,1wt%NH4F+67%甘油+33%水电解液体系（120min,30V,100mA cm-2）中制备500℃热处理2h的TiO2纳米管光催化活性最高,在11W低压汞灯照射下,罗丹明B（5mg/L）反应速率常数为0.0132min-1。以AgNO3为原料对TiO2进行光化学载银,当AgNO3浓度1g/L时,Ag-TiO2催化降解罗丹明B速率常数0.0141min-1。建立了湿式催化氧化光催化组合工艺冷凝水处理体系,该系统日处理水量7.5L,进水流量约5mLmin-1,催化氧化单元供氧压力2kPa,水停留时间8.3min,光催化单元水停留时间100min,废水中有机污染物的去除率近100%,光催化单元同时具有消毒作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 冷凝水处理现状
• 1.2.1 冷凝水来源及水质特征
• 1.2.2 国外航天器中饮用水供给
• 1.2.3 冷凝水处理工艺
• 1.3 无泡供氧技术简介
• 1.3.1 基本原理及优缺点
• 1.3.2 无泡供氧技术的分类
• 1.3.3 无泡供氧技术的应用
• 2 光催化研究现状'>1.4 Ti0₂光催化研究现状
• 2 光催化原理'>1.4.1 Ti0₂光催化原理
• 2 光催化剂的制备'>1.4.2 Ti0₂光催化剂的制备
• 2 光催化剂的改性'>1.4.3 Ti0₂光催化剂的改性
• 2 纳米管阵列的研究现状'>1.4.4 Ti0₂纳米管阵列的研究现状
• 1.5 论文的研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验仪器与试剂
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 湿式催化氧化反应器
• 2.2.1 污染物分析方法
• 2.2.2 Pt/AC 催化剂的制备
• 2.2.3 膜供氧性能分析试验
• 2.2.4 湿式催化氧化反应器
• 2.3 光催化氧化反应器
• 2 纳米管光催化的制备'>2.3.1 Ti0₂纳米管光催化的制备
• 2 纳米光催化剂的掺杂'>2.3.2 Ti0₂纳米光催化剂的掺杂
• 2 纳米催化剂的表征'>2.3.3 Ti0₂纳米催化剂的表征
• 2 纳米管的光化学实验'>2.3.4 Ti0₂纳米管的光化学实验
• 2 纳米管的光电化学实验'>2.3.5 Ti0₂纳米管的光电化学实验
• 2.4 湿式催化氧化光催化氧化组合反应器
• 第3章 湿式催化氧化体系的建立
• 3.1 引言
• 3.2 膜材料的选择
• 3.2.1 微孔曝气的膜材料
• 3.2.2 不同膜材料供氧性能比较
• 3.3 催化剂的制备
• 3.4 催化氧化反应器的构建
• 3.4.1 膜结构参数的影响
• 3.4.2 供氧压力的影响
• 3.5 催化氧化反应器的运行
• 3.5.1 催化氧化反应器对冷凝水的处理
• 3.5.2 催化氧化反应器的持续运行能力
• 3.6 本章小结
• 第4章 湿式催化氧化光催化组合工艺处理冷凝水
• 4.1 引言
• 2 纳米管光催化剂的制备及表征'>4.2 Ti0₂纳米管光催化剂的制备及表征
• 2 纳米管制备装置'>4.2.1 Ti0₂纳米管制备装置
• 2 纳米管阵列的制备'>4.2.2 Ti0₂纳米管阵列的制备
• 2 纳米管阵列的表征'>4.2.3 Ti0₂纳米管阵列的表征
• 2 纳米管阵列的形成及其光催化性能'>4.3 Ti0₂纳米管阵列的形成及其光催化性能
• 2 催化剂的形成'>4.3.1 纳米管状结构Ti0₂催化剂的形成
• 2 纳米管催化剂的光催化性能'>4.3.2 Ti0₂纳米管催化剂的光催化性能
• 2 纳米管阵列的光电催化性能'>4.3.3 Ti0₂纳米管阵列的光电催化性能
• 2 纳米管阵列的制备及其光催化性能'>4.4 Ag-Ti0₂纳米管阵列的制备及其光催化性能
• 2 纳米管催化剂的制备'>4.4.1 Ag-Ti0₂纳米管催化剂的制备
• 2 纳米管的光催化性能'>4.4.2 Ag-Ti0₂纳米管的光催化性能
• 2 光催化组合工艺的建立'>4.5 湿式催化氧化Ag-Ti0₂光催化组合工艺的建立
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢