电催化氧化体系效能预测模型构建及反应器构型优化设计-环境科学与工程专业论文.docxVIP

国内图书分类号：X703.1 学校代码：10213 国际图书分类号：628.3 密级：公开 工学硕士学位论文 电催化氧化体系效能预测模型构建及反应器 构型优化设计 硕士 研究 生： 张义龙 导 师 ： 冯玉杰 教授 申 请 学 位 ： 工学硕士 学 科 ： 环境科学与工程 所 在 单 位 ： 市政环境工程学院 答 辩 日 期 ： 2013 年 6 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index：X703.1 U.D.C.: 628.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering PERFORMANCE PREDICTION MODELING OF ELECTROCATALYTIC OXIDATION SYSTEM AND OPTIMIZATION OF REACTOR CONFIGURATION DESIGN Candidate： Zhang Yilong Supervisor： Prof. Feng Yujie Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Environmental Science Engineering Affiliation： School of Municipal and Environmental Engineering Date of Oral Examination： June,2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - I - 摘 要 电催化氧化水处理技术以其优越的特点，在难降解有机物处理方面得到广 泛关注。该技术经过多年发展，处理效率不断提高，能够满足多种需求，但降 低能耗一直都是研究的重点。因此，低能耗高效电催化氧化工艺开发，对于该 技术的发展具有重大意义。本文以电催化氧化反应机理及废水的水质水力条件 为基础，高效低耗为原则，通过建立数学模型和实验评价体系，对阳极氧化性 能、阴极还原性能和反应器传质效能三个核心内容，进行详细的分析与研究。 结合阳极材料相关性能参数、·OH 的生成机理、废水水质相关指标以及污 染物的降解规律，从定量角度，构建了表征体系效能的 DSA 电极电催化氧化 性能预测数学模型。利用实验数据获得了模型中相关参数，并对反应中的不确 定因素进行了合理校正。采用泰尔不等式系数（TIC），分别对不同结构相同 材料和不同材料 DSA 电极性能的预测值和实验值进行符合度检验，结果显示， 模型预测的可信度符合要求。在此基础上，利用该模型对未知材料和结构的电 极进行性能预测，并讨论了不同废水 pH 值和 COD 浓度对体系电催化氧化性 能的影响。根据预测结果，提出了提高体系性能的方法。 根据水质水力条件及三种基本传质方式的综合作用，以废水 COD 浓度为 指标，构建出电催化氧化体系传质效能预测模型。通过实验对模型中的相关参 数进行校正；采用传质准数关联方程，以 CFD 软件模拟的方式对模型进行检 验；结果表明，传质模型的灵敏度与准确度均符合要求。应用该模型和 CFD 模拟的方式，对反应器的外部构型及内部结构排布等细节问题进行了讨论。分 析得出，当电极组件在反应器内部垂直放置并与进出水口的相对位置成 180° 角时，流体在电极组件附近尤其是其内部的传质效果最好；合理设置进出水口 的相对位置，可有效增强废水的扰流和回流，同时采用圆形或弧形对反应器构 型进行锐化，可有效消除其内部的死区效应，提高传质效率及水处理效果。 以不锈钢、钛板、碳布和泡沫镍四种不同材料作为阴极，采用对氯苯酚去 除率、TOC 去除率、COD 去除率、氯离子脱出率以及电流效率为考察指标， 对阴极还原性能进行评价研究。将还原性能较强的钛板阴极与模型预测出的纳 米结构 Ti/RuO2/SnO2 阳极组合，构建高效的电催化氧化体系。以色度、COD 去除率、氯离子去除率以及能耗为考察指标，对比系统改进前后对海宁 制药工 业废水的处理效果，结果表明：改造后的体系废水处理 50min 即可达标，比未 改造的体系减少了 10min；相同处理时间情况下，改造后的体系比未改造的体 系 COD 去除率高 4%，色度去除程度高 10 度，氯离子去除能力高 4.23%；与 - - II - 此同时，去除每 kgCOD 的能耗却降低了 3.57kWh。 针对体系节能降耗问题，构建了能耗分析评价模型，通过对参数分析以及 模型分解，以废水 COD 浓度变化为桥梁，转换能耗模型与传质模型及阳极性 能预测模型的关系，为能耗模型求解以及应用