论文摘要
高压脉冲气液混合放电利用气相和液相共同放电产生臭氧、双氧水、羟基自由基等活性物质,提高污染物去除效率和电源能量利用率。本文以对氯苯酚（4-CP）为目标污染物,对该体系下反应器设计和比较、电源参数及工艺参数优化、有机污染物降解机理探讨以及降解动力学模型建立等方面进行较为系统的研究。首先,为了研究液相与气相放电的协同作用,比较了三种气液混合放电反应器形式:高压电极和地极均浸没在溶液中（HDBW）;高压电极浸没在水中,地极置于液面上（HDAW）;高压电极置于液面上,地极浸没在水中（GD）。通过比较4-CP降解效率、中间产物变化、TOC矿化、能量利用率、放电形式、臭氧和双氧水产生等方面,认为HDAW反应器能结合气相和液相共同放电促进4-CP降解,是一种高效新型的气液混合放电反应器。同时对该反应器各种操作参数进行优化,其中火花放电7min后4-CP去除效率能达到100%。通过研究不同的放电形式、活性物质在放电过程中的作用,认为4-CP的降解主要以*OH氧化为主。其次,设计了一种新型的连续流气液混合放电反应器,并研究脉冲输入电压、脉冲频率、初始浓度、氧气流速以及串联个数对4-CP降解和能量利用率的影响,当脉冲电压为16 kV,脉冲频率为100 Hz,液体流速为40 ml/min,氧气流量为0.4 m3/h时,能量利用率维持在一个较高的值(5.39×10-9mol/J),同时4-CP降解效果也较高（88.3%）。该反应器所产生的臭氧和双氧水也能用于4-CP去除。根据基本化学工程原理建立动力学模型来预测4-CP降解以及中间产物变化情况。在此基础上,探讨了O2、N2、Air条件下4-CP降解机理。O2和N2条件下,均产生双氧水,O2条件下产生臭氧O3,N2条件下产生硝酸根、亚硝酸根。4-CP在O2和N2条件下产生苯环类产物,如氯代邻苯二酚、对苯酚、2,4-二氯酚、对苯醌,以及有机酸等。在N2条件下还检测到含氮化合物5-氯-3-硝基邻苯二酚、4-氯-2-硝基酚。Air条件下4-CP降解产物与N2条件相近。O2条件下,4-CP主要是通过羟基自由基攻击苯环以及臭氧氧化降解;N2条件下,主要是通过羟基自由基以及N等离子体攻击苯环进行降解;Air条件下,主要是羟基自由基、N等离子体、臭氧共同作用。最后,建立了完善的气液混合放电体系下4-CP降解动力学模型。确定了脉冲电压、脉冲频率、溶液电导率和氧气流量条件下活性物质(H2O2、O3、*OH、eaq-)的初始速率常数。利用相关系数r和方差分析ANOVA（F,p）体系检验模型的有效性。根据模型计算得到*OH氧化在4-CP降解中占主要作用,为88.9%。该模型能很好地模拟4-CP在间歇流以及连续流反应器中的降解过程,为今后大规模工业化应用提供理论指导。
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致谢摘要Abstract目录第一章 脉冲等离子体技术研究现状与主要研究内容1.1 课题背景1.2 难降解有机污染物的处理方法1.2.1 各种处理方法比较1.2.2 高级氧化技术1.3 非平衡等离子体技术1.4 脉冲等离子体水处理技术1.4.1 高压脉冲电源1.4.2 液电反应器1.4.3 高压脉冲放电机理1.4.4 高压脉冲催化技术1.4.5 高压脉冲污染物降解机理及模型1.5 研究方案1.5.1 存在问题1.5.2 研究内容1.5.3 技术路线第二章 实验装置及分析测试方法2.1 实验装置及工艺流程2.1.1 高压脉冲电源装置2.1.2 高压脉冲放电反应器2.1.3 高压脉冲放电流程2.2 分析测试方法2.2.1 电压电流波形测试2O2的测定'>2.2.2 液相H2O2的测定3的测定'>2.2.3 液相O3的测定3的测定'>2.2.4 气相O3的测定2.2.5 液相阴离子及低分子有机酸测定2.2.6 对氯酚及中间产物测定2.2.7 TOC测定2.2.8 pH和电导率测定2.2.9 能量利用计算第三章 高压脉冲放电反应器设计与优化3.1 对氯酚降解效果、TOC矿化和能量利用率的比较3.2 放电模式的比较3.3 活性物质产生3.3.1 臭氧产生3.3.2 双氧水产生3.4 活性物质对4-CP降解的影响3.5 中间产物比较3.6 本章小结第四章 间歇式气液混合放电反应降解4-CP4.1 工艺参数对对氯苯酚降解的影响4.1.1 脉冲电压的影响4.1.2 脉冲频率的影响4.1.3 溶液电导率的影响4.1.4 电极距离的影响4.1.5 氧气流量的影响4.1.6 初始浓度的影响4.1.7 气体组分的影响4.2 不同放电形式的比较4.3 活性物质对4-CP降解效果的影响4.4 本章小结第五章 新型连续流气液混合放电反应器5.1 操作参数对4-CP降解和能量利用率的影响5.1.1 脉冲电压的影响5.1.2 脉冲频率的影响5.1.3 初始浓度的影响5.1.4 氧气流速的影响5.1.5 放电个数的影响5.2 臭氧与双氧水的产生5.3 中间产物分析5.4 能量利用率比较5.5 本章小结第六章 气液混合放电过程中有机污染物的降解途径6.1 中间产物的确定6.2 中间产物的变化6.2.1 溶液电导率及pH的变化6.2.2 活性物质的变化6.2.3 4-CP降解中间产物的变化6.3 对氯苯酚的降解途径6.3.1 氧气条件下4-CP降解途径6.3.2 氮气条件下4-CP降解途径6.3.3 空气条件下4-CP降解途径6.4 本章小结第七章 气液混合放电有机物降解模型分析7.1 模型的建立7.2 模型的求解方法7.3 羟基自由基、双氧水、水合电子和臭氧生成速率的确定7.3.1 不同脉冲电压下初始速率的确定7.3.2 不同脉冲频率下初始速率的确定7.3.3 不同溶液电导率下初始速率的确定7.3.4 不同氧气流量下初始速率的确定7.3.5 模型评估7.4 4-CP降解和中间产物生成的反应速率常数确定7.5 连续流降解模型7.6 本章小结第八章 结论与建议8.1 结论8.2 主要创新点8.3 存在的问题及建议参考文献攻读博士学位期间发表学术论文攻读博士学位期间发表会议论文
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