基于流化床多相光催化—臭氧氧化苯酚及动力学模型研究

论文摘要

二氧化钛光催化在环境污染物治理过程中的研究已经较为深入,但绝大多数仍处于实验室阶段,其主要的原因是悬浆式光催化剂暴露出易失活、易凝聚、难回收的缺点和负载后的光催化剂催化效率不够理想。而对于反应器的研究,只是基于实验需要制作的简易装置,由于进一步的研究涉及到相对复杂的多相光催化机理和反应动力学原理,尚未有适用的反应体系与装置问世。因此,设计高效的光催化反应器并对反应器进行详细评价,为其实际应用提供理论依据势在必行。对于负载型TiO2/UV/O3光催化降解有机物的反应动力学,研究者所建立的模型大多以悬浆型TiO2光催化常用的Langmuir-Hinshelwood模型为主。由于引入了臭氧,反应过程复杂得多。因此需要建立耦合多个反应的动力学模型,用以解释TiO2/UV/O3光催化降解苯酚的动力学过程。综合考虑流化床中固相和液相流化状态的观察结果,以及对液-固流化床、气-液-固三相流化床的初始流化速度测量和预测的结果和系统运行的经济性、维护管理等方面的因素,认为采用小粒径球形活性炭颗粒（Kureha 0.64mm）作为TiO2载体更为合理。以Sol-gel法将TiO2负载到球形活性炭颗粒表面。结果表明,该方法可以将TiO2均匀地负载到颗粒表面,负载量为6.51 wt%。表面负载没有改变原活性炭表面的多孔结构,制备的光催化剂对苯酚的吸附能力并没有比原活性炭明显下降。两种颗粒对苯酚的吸附/脱附是可逆的,可以用Freundlich等温吸附模型较好地描述。在此基础上采用朗伯-比尔定律并结合流化床中固相运动规律建立了床层径向光强分布模型,为流化床光催化反应器处理苯酚废水模型建立提供依据。结果表明,流化床中光强度沿径向呈指数衰减,并且随着床层固相含率的升高而加速。流化床操作条件对降解效率的影响研究表明,当通气量为3 L/min液相流量为13.8 L/min时,流化床光催化氧化苯酚的效率最高。将通气位置移至床层上方,在同样通气量的条件下,上部通气有更高的光催化效率。建立了流化床光催化反应器床层内液相苯酚浓度径向分布模型,模型的结果解释了液相流量对光催化氧化苯酚的影响。通过对模型积分计算出的平均液相苯酚浓度与试验测量值的比较,大部分误差在30%以内,说明建立的模型可以较好地描述流化床光催化氧化苯酚的过程。其它运行条件一致的前提下,5种氧化过程对苯酚降解总量的顺序为:TiO2/UV/O3 > UV/O3/AC > TiO2/UV/O2 > UV/O3 > O3。光催化-臭氧氧化的作用机制为臭氧俘获了光生电子而后生成羟基自由基,这种协同作用使得其反应效率最高。据此,建立了UV/O3/AC和UV/O3/TiO2-AC氧化过程的动力学模型,与实验数据对比,所建立的模型误差在5%以内,可以很好的描述各种多相反应的动力学过程。根据实验数据计算各均相和多相反应表观反应速率常数的结果表明,TiO2/UV/O3与TiO2/UV/O2过程中多相光催化反应速率常数之比为3.7,说明臭氧比氧更适合作为光生电子的俘获剂,减少电子空穴的复合,提高光催化反应的效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 含酚废水及其处理方法
• 1.1.1 含酚废水来源与危害
• 1.1.2 含酚废水的常规处理防法
• 1.2 光催化氧化技术
• 1.2.1 光催化剂的种类
• 2 光催化剂制备方法'>1.2.2 负载型TiO₂光催化剂制备方法
• 2 的载体'>1.2.3 用于负载纳米TiO₂的载体
• 2 光催化反应运行条件影响因素'>1.2.4 TiO₂光催化反应运行条件影响因素
• 2 光催化降解原理'>1.2.5 TiO₂光催化降解原理
• 1.2.6 光催化反应动力学
• 2 光催化-臭氧氧化技术'>1.3 TiO₂光催化-臭氧氧化技术
• 2 光催化-臭氧氧化废水研究现状'>1.3.1 TiO₂光催化-臭氧氧化废水研究现状
• 2 光催化-臭氧氧化反应影响因素'>1.3.2 TiO₂光催化-臭氧氧化反应影响因素
• 2 光催化-臭氧氧化动力学'>1.3.3 TiO₂光催化-臭氧氧化动力学
• 2 光催化-臭氧氧化经济性评价'>1.3.4 TiO₂光催化-臭氧氧化经济性评价
• 1.4 光催化反应器研究现状
• 1.4.1 光源的选择
• 1.4.2 光催化反应器分类
• 1.5 课题来源及研究的目的和意义
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究目的
• 1.5.3 研究意义
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 目标有机污染物的选择
• 2.1.2 实验试剂
• 2.1.3 实验仪器
• 2.2 液相检测项目与方法
• 2.2.1 苯酚浓度的测定
• 2.2.2 液相臭氧浓度的测定
• 2.3 流化床光催化反应器的设计
• 2.4 载体颗粒选择
• 2.5 流化床流体力学研究的实验方法与程序
• 2.5.1 实验装置
• 2.5.2 实验方法与程序
• 2.5.3 固相颗粒的性质
• 2 光催化剂的制备与表征'>2.6 负载型TiO₂光催化剂的制备与表征
• 2 薄膜'>2.6.1 Sol-gel 法负载TiO₂薄膜
• 2.6.2 活性炭与催化剂的SEM 与AES 分析
• 2.6.3 催化活性分析
• 2.6.4 催化剂负载量分析
• 2.7 活性炭与催化剂对苯酚的吸附/脱附
• 2.7.1 活性炭与催化剂对苯酚的吸附
• 2.7.2 活性炭与催化剂对苯酚的脱附
• 2.8 流化床反应器光强分布的测定
• 2.8.1 实验装置
• 2.8.2 光探头工作曲线
• 2.8.3 光强分布的测定
• 2.9 光催化反应实验操作
• 2.9.1 光催化氧化苯酚过程
• 2.9.2 光催化臭氧氧化苯酚过程
• 第3章 流化床光催化反应器流体力学特性
• 3.1 颗粒流态化特征
• 3.2 初始流化速度模型
• 3.2.1 液-固流化床初始流化速度预测
• 3.2.2 气-液-固流化床初始流化速度预测
• 3.3 床层膨胀高度预测
• 3.4 流体力学研究结果讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 流化床光催化氧化特性
• 4.1 光催化剂性能表征
• 4.1.1 光催化剂表面分析
• 4.1.2 光催化剂的活性评价
• 4.1.3 光催化剂与活性炭对苯酚的吸附/脱附
• 4.2 流化床光催化反应器光强分布
• 4.2.1 光纤探头工作曲线
• 4.2.2 模型假设
• 4.2.3 模型建立与参数的确定
• 4.3 本章小结
• 第5章 流化床多相光催化氧化苯酚研究
• 5.1 操作条件对处理效率的影响
• 5.1.1 通气量对处理效率的影响
• 5.1.2 液体流量对处理效率的影响
• 5.1.3 通气方式对处理效率的影响
• 5.1.4 液相苯酚初始浓度对处理效率的影响
• 5.2 光催化氧化流化床内液相苯酚浓度分布模型
• 5.2.1 模型假设
• 5.2.2 模型建立
• 5.2.3 模型求解
• 5.2.4 模型评价
• 5.3 本章小结
• 第6章 流化床多相光催化臭氧氧化苯酚研究
• 6.1 不同氧化过程效率对比
• 2 光催化-臭氧氧化协同作用机制'>6.2 TiO₂光催化-臭氧氧化协同作用机制
• 6.3 光催化臭氧氧化苯酚动力学模型
• 6.3.1 模型假设
• 6.3.2 模型建立
• 6.3.3 模型求解与结果
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 符号说明
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历