雙室生物電化學系統(tǒng)的水動力學研究

發(fā)布時間：2020-08-02 05:46

【摘要】：在廢水處理領域,生物電化學系統(tǒng)(BES)作為一種新型技術受到廣泛關注。BES的基本原理是微生物作為催化劑,將廢水中有機物的化學能轉化為電能,因此BES具有處理廢水和回收能源雙重效果的突出優(yōu)勢。眾所周知,水動力學是廢水處理反應器運行性能的重要影響因素,而目前關于BES水動力學特性方面的研究較為缺乏�？紤]水動力學影響B(tài)ES反應器產電性能的機理比較復雜,通過數(shù)值模擬和實驗研究相結合的思路更有助于理解水動力學調控反應器產電性能的影響機制。本文主要運用停留時間分布(RTD)技術與計算流體力學(CFD)模擬相結合的方法來研究典型雙室BES陽極室和陰極室的水動力學。主要研究內容和結論如下:1.生物電化學反應器陽極室水力學特性的研究。設置四個不同水力停留時間(HRT),進行示蹤實驗來獲取RTD曲線,然后對RTD數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學定量分析,再結合RTD曲線特征的定性分析,從而判斷反應器內部流態(tài)。研究結果表明,反應器內部存在大量死區(qū),反應器水動力學條件不佳;進一步分析,HRT越小,相應的反應器死區(qū)越小,即水動力學條件越好。運用CFD模擬反應器內部的流場分布,通過對流場的可視化來判斷反應器死區(qū)主要集中在遠離進出口的拐角區(qū)域。然后通過加回流裝置和加擋板兩種方法來改善流態(tài),結合相同的RTD實驗分析和CFD模擬,可以得出這兩種方法能夠很好地改善反應器流態(tài),減小反應器死區(qū)。最后,通過BES反應器產電實驗進行驗證,得出水動力學條件越好,相應的產電性能越高。同樣地,加回流裝置和加擋板兩種方法也確實可以提高反應器產電性能。2.生物電化學反應器陰極室水力學特性的研究。陰極室的水動力學通過影響電極周圍的流場分布,進而影響電極附近的氧氣傳質-反應過程。運用CFD中的氣液兩相流模型對不同曝氣條件下陰極室的水動力學進行模擬,采用歐拉-歐拉算法體系,穩(wěn)態(tài)模擬獲得氣液流場分布和空氣體積分數(shù)分布。主要從曝氣強度、電極(碳紙)的相對空間位置、氣泡尺寸、曝氣裝置個數(shù)等四個方面探究不同操作因素對水動力學的影響機制,同時考慮對陰極室陽離子交換膜氧氣擴散通量的影響,得出各操作參數(shù)對水動力學的影響規(guī)律:在一定范圍內,適中的曝氣強度(1m/s)、居中的碳紙的相對傾斜角(45°)、適中的氣泡尺寸(0.5mm)、適中的曝氣裝置個數(shù)(2個)時陰極室的水動力學表現(xiàn)更好,更有利于氧氣傳質和反應,進而提高陰極室性能。因此,調控陰極室的曝氣條件,進而優(yōu)化陰極室的水動力學很重要。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X703
【圖文】：

原理圖,生物電化學,基本原理,電化學活性

逡逑陰極，并在陰極發(fā)生相關還原反應。具體的生物電化學原理圖如圖１．１所示。逡逑ＣＨ３ＣＯＯ￣邋＋邋３Ｈ２０邋－邋８邋ｅ￣邋＾邋Ｃ０２邋＋邋ＨＣＯ３邋＋邋８邋Ｈ＋邋Ｅ°邋＝邋－０．３邋Ｖ邋（１）邐、逡逑０２邋＋邋８Ｈ＋邋＋邋８ｅ－邋－＞邋４Ｈ２０邐Ｅ°邋＝邋０．８邋Ｖ邐（２）逡逑Ｅｘｔｅｒｎａｌ邋Ｒｅｓｉｓｔｅｒ逡逑．逡逑？�。�！邐丨：１０逡逑ｉ｜邐；逡逑邐邐—逡逑＞ｅ—，Ｉ邋ｉ逡逑ｃ0２＋邋＾邐ｉ邋ｉ邐０邋＇ｍ逡逑＿邐ｉ（逡逑Ｖ邋一—Ｉ邐、、＾５邋ｔ邋Ｊ逡逑．Ｊ邐＾邋Ｉ邋！邐邐逡逑（Ｂｉｏ）Ａｎｏｄｅ邐Ｓｅｐａｒａｔｅｒ邋Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑圖１．１生物電化學系統(tǒng)的基本原理圖［１２］逡逑１．１．２微生物電化學系統(tǒng)性能的影響因素逡逑根據(jù)目前通用的微生物電化學系統(tǒng)，主要由電極材料、電化學活性細菌（ＥＡＢ）逡逑和底物種類組成，所以ＢＥＳ運行性能與這三種因素密切相關。在優(yōu)化微生物電化逡逑學系統(tǒng)時，應該對這三種因素進行綜合考慮。逡逑（１）電化學活性細菌逡逑在影響微生物電化學系統(tǒng)運行性能的諸多因素中，電化學活性細菌扮演著舉逡逑足輕重的關鍵作用。電化學活性細菌主要指的是一類在微生物代謝過程中具有電逡逑化學活性功能的細菌，可以導電性物質作為電子供體或電子受體，不僅自身能代逡逑謝產生電子，還能與固體電極之間傳遞電子。通常為了研宄電化學活性細菌與電逡逑極之間的電子傳遞機理

石墨顆粒,碳板,碳氈,陽極材料