电脉冲技术在电凝聚法污水处理和微弧氧化领域的应用

论文摘要

随着科学技术的不断发展,各个学科的交叉研究变得尤为重要。二十一世纪,生物学与生物工程、材料学与材料工程、环境学与环境工程等三大学科的发展对人类的生存和发展、科技的进步及创新等都具有重要的意义。目前,环境问题日益突出,污水处理的研究变得迫切;同时,由于应用领域的扩展以及对材料各类性质的要求在不断提升,材料的表面改性也成为目前研究的热点。污水处理和材料表面改性这两个方向都涉及多个学科,研究难度较大。采用脉冲电凝聚法进行污水处理,以及针对阀金属进行脉冲微弧氧化处理,两者遵循的基本原理都属于电化学理论范畴,使用的设备方法是电力电子研究的领域,因而,两个方向都属于典型的交叉学科研究。本文针对脉冲电絮凝法印染污水处理和脉冲微弧氧化等两个特定的应用场合,在深入分析电解槽负载的基础上,得出电解槽负载的等效电路,自制了分别用于污水处理和微弧氧化场合的特种形变脉冲电源,在此基础上,进行了大量的实验研究,得出了一些有意义的结论。主要内容包括:(1)形变功率脉冲电源的设计和调试针对脉冲电絮凝法印染污水处理和脉冲微弧氧化等两个特定的应用,根据要求分别设计了脉冲电源。电源样机可以输出特定的电压波形,而且输出脉冲电压的幅值、频率和占空比等参数可以实现可编程数字调节。实验表明,电源样机可以满足污水处理及微弧氧化等实验的具体要求。通过功率脉冲电源的研制,为脉冲电凝聚法印染污水处理以及镁合金微弧氧化的实验研究奠定了基础。类似的形变功率电源在相关文献报道中并不多见,本文所设计的脉冲电源输出波形种类多,可以调节的参数多,参数调节方便,是这类形变电源的改进和提高。(2)电解槽负载特性的分析本文从电化学理论入手,分析了电凝聚过程中与负载工作特性相关的化学反应过程,在直流作用下的电解槽负载特性分析的基础上,对脉冲电源作用下的负载特性进行了分析。通过电化学领域使用的电化学阻抗谱(Electrochemicalimpedance spectroscopy,简称EIS)研究方法,对电解槽进行建模,得出定性和定量的模型,通过实验测量电压、电流曲线,进行参数拟合的方法,得出实际应用时负载的定量模型。深入分析了等效电路各个参数的具体意义,得出双电层电容等参数和污水处理效果的关系。通过改变电解槽的电极配置来实现改变等效电路各电容、电阻等参数的值,从而改变电解槽电流,最后得出了等效电路参数和电极配置的关系。本文针对电解槽负载特性进行定性、定量分析,得出其等效电路模型,并采用该模型解释、解决具体的问题,得出相关结论,这样的研究方法在文献中未见报道。该方法采用了EIS理论,并将电解槽的模型作为电化学电极反应和电路分析的桥梁。(3)脉冲电絮凝法污水处理的实验研究本文针对印染污水,利用自制电源进行了一系列污水处理实验和结果分析。得出了脉冲参数和净化效果、电能净化效率的关系。这些结论为脉冲电凝聚法印染污水处理中,脉冲形式和脉冲参数的选择提供了实验验证,具有借鉴意义。在负载特性分析的基础上,分别讨论了电压幅值、电解槽单元数目、极板间距、脉冲的频率及占空比等因素与视在功率、有功功率、电流有效值、电流峰值等因素的关系,分析了脉冲电凝聚法污水处理的功耗,得出功耗和脉冲参数的关系,这些结论及详细理论推导对于本方法的工程应用具有重要参考意义。在此基础上,讨论了污水处理中影响功耗的主要因素,通过计算和外推得出实际工业应用中该方法的能耗状况,为该方法的大规模推广应用提供参考。(4)脉冲微弧氧化的研究本文针对镁合金AZ91D,进行了脉冲微弧氧化的研究。本文首次从实验现象,极化曲线、X射线衍射图谱(XRD)、扫描电镜(SEM)结果等等方面全面分析比较了采用脉冲和传统的正弦交流进行微弧氧化的异同,通过分析,得出了脉冲微弧氧化可以改善膜层的结论。利用自制电源,改变脉冲参数,在不同条件下进行微弧氧化实验,通过分析,研究了脉冲参数对微弧氧化膜层的影响,得到了一些有意义的结论。这些分析和结论对脉冲微弧氧化的深入研究和推广应用都有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电力电子技术在电化学领域的应用
• 1.3 脉冲功率污水处理
• 1.3.1 常用污水治理技术
• 1.3.2 电凝聚法污水处理
• 1.3.3 脉冲电凝聚法污水处理
• 1.4 脉冲功率微弧氧化
• 1.4.1 金属的腐蚀及材料表面改性
• 1.4.2 微弧氧化
• 1.4.3 脉冲微弧氧化的研究现状
• 1.5 电极反应及电解槽负载特性
• 1.5.1 电极反应及影响因素
• 1.5.2 电解槽负载特性
• 1.6 本文的选题意义及主要研究内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 脉冲功率电源的设计
• 2.1 引言
• 2.2 污水处理用形变脉冲功率电源的设计
• 2.2.1 系统框图及主要指标
• 2.2.2 主电路拓扑
• 2.2.3 低通滤波器的设计
• 2.2.4 相关控制技术
• 2.2.5 实验波形
• 2.3 微弧氧化用脉冲电源的研制
• 2.3.1 脉冲电源微弧氧化系统
• 2.3.2 电路工作模式
• 2.3.3 DSP参数设置电路模块
• 2.3.4 负载特性及实验波形
• 2.4 本章小结
• 第3章 污水处理中电解槽负载等效模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 污水处理中电解槽负载的等效模型
• 3.2.1 电解槽负载理论建模
• 3.2.2 电解槽等效电路——EIS方法
• 3.2.3 等效电路定量分析——参数拟合方法
• 3.2.4 仿真和实验结果
• 3.3 双电层电容效应分析
• 3.3.1 双电层电容
• 3.3.2 负载等效电路
• 3.3.3 双电层电容效应对脉冲参数的影响
• 3.3.4 实验
• 3.3.5 双电层电容的电容量控制
• 3.4 负载等效模型与电极配置的关系
• 3.4.1 连接方式
• 3.4.2 电解单元数目变化
• 3.4.3 极板间距变化
• 3.4.4 等效电路参数和电极配置的关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 污水处理的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方案
• 4.2.1 总体方案
• 4.2.2 电解槽及污水配置
• 4.3 实验条件对污水处理效果的影响
• 4.3.1 电解时间与污水净化效果的关系
• 4.3.2 电压波形对污水净化效果的影响
• 4.3.3 脉冲参数对污水净化效果的影响
• 4.4 脉冲电凝聚法污水处理的功耗研究
• 4.4.1 理论分析
• 4.4.2 功率估算
• 4.4.3 电耗和电参数、极板配置的关系
• 4.5 本章小结
• 第5章 镁合金微弧氧化研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方案
• 5.2.1 实验内容
• 5.2.2 实验材料及方法
• 5.3 负载特性及实验波形
• 5.3.1 负载特性
• 5.3.2 实验波形
• 5.4 脉冲和工频正弦MAO比较
• 5.4.1 实验现象
• 5.4.2 极化曲线比较
• 5.4.3 XRD比较
• 5.4.4 SEM比较
• 5.5 脉冲参数对MAO膜层的影响
• 5.5.1 电压幅值
• 5.5.2 频率占空比与极化曲线的关系
• 5.5.3 频率占空比与XRD的关系
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文研究工作总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢