新型脉冲电源研制及其处理六氯苯废水的研究

论文摘要

近几十年来,高级氧化技术在处理难生物降解的有机污染废水方面取得了迅速的发展。脉冲放电等离子体水处理技术几乎是各种高级氧化技术的天然组合,具有广泛的应用前景。但放电等离子体技术在大规模应用中存在包括电源不能长期稳定运行、处理时间长且成本高和降解机理还不完全清楚等问题,影响了该技术的产业化。因此本文针对这些问题对放电等离子体技术进行了研究。主要研究内容和结论如下：（1）基于磁压缩和SOS效应原理,设计了一种新型无间隙纳秒级脉冲电源。通过pspice电路仿真分析和实验研究,着重探讨了关键参数对输出电压的影响。研究结果表明：电源在前级饱和变压器PT1匝数为1：20,磁压缩电感MS匝数为13,后级升压饱和变压器PT2匝数为2：10时能获得较高的输出电压峰值,负载为50Ω时,脉冲电压峰值-51kV,脉宽120ns,峰值前沿60 ns。（2）探讨了电源和反应器之间的匹配,以利于提高电源能量利用效率。根据将反应器整体看成是一级电容的匹配思路,设计出了一级磁压缩电路和二级磁压缩电路与反应器进行匹配。从实验结果可以看出,设计出的电路对大型反应器的效果非常好,一级磁压缩电路在MS1匝数为35匝时负载峰值电压可以达到28kV,二级磁压缩电路在MS1匝数为33时得到负载的最高峰值电压30kV。（3）过氧化氢是放电所产生的活性物质中最稳定的。研究发现在放电时间90min内,随着时间的增加,过氧化氢的浓度成线性增加,曝气可极大提升过氧化氢的生成量。在峰值电压35kV、频率30Hz、电极间距为2cm、曝气（0.5L/min）和不曝气的情况下过氧化氢的生成速率常数,分别为1.17×10-8mol/s和167×10-9mol/s,其过氧化氢能量效率则分别为6.59×10-11mol/J和0.96×10-11mol/J;过氧化氢的浓度随着电压和气流量的升高也随之增加,添加适量TiO2可促进过氧化氢的产生,但TiO2量过多反而比不投加Ti02所产生的过氧化氢浓度要小；通过正交实验结果分析,在各种影响因素中,电压最重要,放电时间次之,而气流量最后。（4）探讨了采用高效液相色谱检测水杨酸羟基化产物,来测定放电等离子体产生的羟基自由基浓度。实验中发现,水杨酸的浓度为200mg/L时具有较好的捕捉效率,而且水杨酸羟基化产物所占的百分含量大致保持不变,其中2,5-二羟基苯甲酸约为70%,2,3-二羟基苯甲酸约为30%。通过计算实验值的相对标准偏差,说明采用羟基化产物定量检测羟基自由基浓度的重复性较好。在放电时间60min内,随着放电时间的增加,羟基自由基的浓度均呈线性增加,而且随着电压的升高,羟基自由基的浓度也增加。通过计算可知在不曝气的条件下,在放电电压为30、35和40kV时,kOH.分别为4.1、5.7和7.7×10-10mol/s;在曝气的条件下,在放电电压为30、35和40kV时,kOH分别为18.1、22.1和26.1×10-10mol/s;在相同的放电条件下,曝气比不曝气的羟基自由基的浓度会高很多,而且曝气时的能量效率比单独放电要高很多。在单独放电时羟基自由基能量效率并不随输入能量大小的变化而变化,平均值约为3.23×10-12mol/J;放电且曝气时,羟基自由基能量效率随输入能量的增加而有所减小。（5）采用针板反应器,对新型纳秒级脉冲电源处理水中六氯苯的效果进行了研究。实验结果表明,放电等离子体降解六氯苯的反应符合准一级动力学关系,而且在曝气条件下比不曝气六氯苯去除率有较大的增加；电压的变化对六氯苯的去除率有很大的影响,随着电压从20kV升高到40kV,放电90min后六氯苯的去除率从48.8%提高到91.8%；六氯苯的能量效率随着放电时间的增加而降低,曝气条件下,六氯苯去除的能量效率从15min时的2.01×10-12mol/J下降到90min时的0.67×10-12mo1/J;而不曝气条件下的六氯苯去除的能量效率从15min时的0.94×10-12mol/J下降到90min时的0.47×1O-12mol/J。（6）在对活性成分产生和六氯苯降解研究的基础上,通过对液相放电中化学反应过程的分析,建立了降解六氯苯的动力学模型,通过反应器中各物质的物料平衡方程,可求出动力学模型中各物质的浓度变化。模拟值和实验值比较结果可知,六氯苯浓度的模拟值要比实验值略高,但偏差值在10%以内,表明该模型能较好地和实验数据相吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高压脉冲等离子体电源研究进展
• 1.3 放电等离子体水处理技术研究进展
• 1.4 高级氧化技术处理六氯苯的研究进展
• 1.5 本文的主要研究内容
• 1.6 技术路线
• 2 实验器材与方法
• 2.1 仪器和试剂
• 2.2 实验装置
• 2.3 分析方法
• 3 新型无间隙纳秒级脉冲电源的研究
• 3.1 低压部分
• 3.2 高压部分
• 3.3 电源的Pspice仿真模型研究
• 3.4 电源参数影响实验研究
• 3.5 本章小结
• 4 脉冲电源与反应器匹配的研究
• 4.1 反应器作为负载时对输出电压波形的影响
• 4.2 改进脉冲电源与反应器匹配思路
• 4.3 匹配实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 水中放电等离子体产生过氧化氢研究
• 5.1 过氧化氢和羟基自由基产生机理
• 5.2 实验结果和分析
• 5.3 正交实验分析
• 5.4 本章小结
• 6 水中放电等离子体产生羟基自由基的研究
• 6.1 检测方法的确定
• 6.2 实验结果与分析
• 6.3 本章小结
• 7 放电等离子体降解六氯苯废水的研究
• 7.1 实验结果和分析
• 7.2 放电等离子体降解六氯苯的能量效率
• 7.3 六氯苯降解途径探讨
• 7.4 本章小结
• 8 放电等离子体降解六氯苯废水的动力学模型
• 8.1 高压脉冲放电水处理的化学过程
• 8.2 模型建立假定
• 8.3 求解策略
• 8.4 模拟数据和实验数据的比较
• 8.5 本章小结
• 9 结论、展望和创新点
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 9.3 创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录