碳纳米管—二氧化钛—壳聚糖光催化降解苯的数值模拟

论文摘要

室内空间是人们生活的主要场所,室内环境的质量对人体健康有着极其重要的意义。研究发现挥发性有机物是造成室内污染的主要物质,苯是常见的室内挥发性有机物,具有强烈的毒性。因此,降低室内空气中的苯含量具有重要意义。本研究采用溶胶-凝胶法制备纳米复合材料二氧化钛/碳纳米管（CNTs）,然后利用壳聚糖作为交联剂,制得二氧化钛/碳纳米管/壳聚糖复合材料催化薄膜,通过傅立叶红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、透射电镜扫描（TEM）和紫外-可见光漫反射（UV-vis）等技术分析了复合材料薄膜的组成、结构、形貌和对光的吸收性能,然后使用该催化剂对室内常见的污染物苯进行降解,并在同样的实验条件下,使用催化剂二氧化钛（P25）/壳聚糖对苯进行降解,研究新制备的催化剂的降解性能。本文采用实验和CFD模拟的方法研究光催化降解苯的动力学过程。选择Langmiur平衡吸附模型,采用L-H动力学方程来描述催化反应的降解过程。描述了平板型反应器的降解实验过程及其控制步骤,根据实验的进口和出口污染物浓度（Cin和Cout）值,对数据进行拟合,得到反应速率常数。FLUENT是常用的CFD数值模拟软件,通过对控制方程的离散计算,可以得到所计算区域的速度分布、温度分布和浓度分布以及速度、温度和浓度值。本次研究采用FLUENT软件模拟光催化反应器中的光催化降解反应,选择层流模型描述污染物的流动,采用用户自定义函数（UDF）进行编程,描述反应过程,表示出反应面上降解的苯的量,采用LSSE光辐射模型计算反应面上的光照强度。详细的分析了FLUENT的模拟过程：网格划分,控制方程和UDF程序。采用GAMBIT软件对反应器进行网格划分,对控制方程以及对UDF的编程过程进行了详细的描述,同时对LSSE模型计算的反应面上的光照强度进行了分析,得到光源距离反应面的比较合适的距离。最后导出FLUENT模拟计算出的反应器内的速度场和浓度场,并对其进行分析,发现速度和浓度的分布和实验结论是基本吻合的。导出数值计算出的出口壁面上的苯的浓度的平均值,对其进行拟合,得到反应系数,发现两者的反应系数误差很小,基本吻合,说明本次所采用的FLUENT模型是正确的。同时,由于通过UDF程序对反应的过程进行编程,表示出反应面上降解的苯,只需改变模型的边界条件,该模型就可以适合于不同的污染物和不同的反应器,适用范围较广。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究课题的背景及意义
• 1.1.1 室内空气品质的评价
• 1.1.2 本课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 降解VOCs的方法
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 纳米光催化降解VOCs的研究内容
• 1.3.1 影响催化反应效率的因素
• 1.3.2 本文的研究内容及方法
• 第2章 催化剂的制备及其性能评价
• 2.1 合成材料及合成催化剂的制备
• 2.1.1 实验室制备纳米二氧化钛的方法
• 2.1.2 制备纳米光催化剂的合成材料及实验设备
• 2.1.3 二氧化钛/碳纳米管/壳聚糖膜层的制备
• 2.1.4 二氧化钛/碳纳米管/壳聚糖膜复合材料的表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 FT-IR分析
• 2.2.2 XRD分析
• 2.2.3 TEM分析
• 2.2.4 紫外可见光谱分析
• 2.3 光催化性能研究
• 2.3.1 光催化降解气相苯的实验过程
• 2.3.2 降解性能分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 光催化降解VOCs的动力学实验和模拟研究
• 3.1 光催化降解VOCs的动力学研究
• 3.1.1 光催化反应机理
• 3.1.2 光催化反应动力学模型
• 3.2 光催化降解苯的实验研究
• 3.2.1 实验材料及设备
• 3.2.2 实验过程
• 3.2.3 实验数据的拟合
• 3.3 CFD模拟反应过程
• 3.3.1 计算流体力学概述
• 3.3.2 计算模型：层流和湍流模型
• 3.3.3 FLUENT模拟光催化反应
• 3.4 光辐射模型
• 3.4.1 常用的光辐射模型
• 3.4.2 LSSE光辐射模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 光催化反应的数值模拟
• 4.1 模拟过程的介绍
• 4.1.1 前处理软件介绍
• 4.1.2 数值计算模型的选择
• 4.1.3 反应面上降解过程的编程
• 4.2 光催化反应器的建模
• 4.2.1 光辐射强度
• 4.2.2 FLUENT模拟过程
• 4.3 模拟结论
• 4.3.1 模拟的速度分布
• 4.3.2 反应器内的浓度分布
• 4.3.3 数据的处理
• 4.4 结论
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文
• 附录B 攻读学位期间所参加的项目