【摘要】：二氧化鈦光催化在環(huán)境污染物治理過(guò)程中的研究已經(jīng)較為深入,但絕大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,其主要的原因是懸漿式光催化劑暴露出易失活、易凝聚、難回收的缺點(diǎn)和負(fù)載后的光催化劑催化效率不夠理想。而對(duì)于反應(yīng)器的研究,只是基于實(shí)驗(yàn)需要制作的簡(jiǎn)易裝置,由于進(jìn)一步的研究涉及到相對(duì)復(fù)雜的多相光催化機(jī)理和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理,尚未有適用的反應(yīng)體系與裝置問(wèn)世。因此,設(shè)計(jì)高效的光催化反應(yīng)器并對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià),為其實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)勢(shì)在必行。對(duì)于負(fù)載型TiO2/UV/O3光催化降解有機(jī)物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué),研究者所建立的模型大多以懸漿型TiO2光催化常用的Langmuir-Hinshelwood模型為主。由于引入了臭氧,反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜得多。因此需要建立耦合多個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型,用以解釋TiO2/UV/O3光催化降解苯酚的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。 綜合考慮流化床中固相和液相流化狀態(tài)的觀察結(jié)果,以及對(duì)液-固流化床、氣-液-固三相流化床的初始流化速度測(cè)量和預(yù)測(cè)的結(jié)果和系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)管理等方面的因素,認(rèn)為采用小粒徑球形活性炭顆粒(Kureha 0.64mm)作為T(mén)iO2載體更為合理。 以Sol-gel法將TiO2負(fù)載到球形活性炭顆粒表面。結(jié)果表明,該方法可以將TiO2均勻地負(fù)載到顆粒表面,負(fù)載量為6.51 wt%。表面負(fù)載沒(méi)有改變?cè)钚蕴勘砻娴亩嗫捉Y(jié)構(gòu),制備的光催化劑對(duì)苯酚的吸附能力并沒(méi)有比原活性炭明顯下降。兩種顆粒對(duì)苯酚的吸附/脫附是可逆的,可以用Freundlich等溫吸附模型較好地描述。 在此基礎(chǔ)上采用朗伯-比爾定律并結(jié)合流化床中固相運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立了床層徑向光強(qiáng)分布模型,為流化床光催化反應(yīng)器處理苯酚廢水模型建立提供依據(jù)。結(jié)果表明,流化床中光強(qiáng)度沿徑向呈指數(shù)衰減,并且隨著床層固相含率的升高而加速。 流化床操作條件對(duì)降解效率的影響研究表明,當(dāng)通氣量為3 L/min液相流量為13.8 L/min時(shí),流化床光催化氧化苯酚的效率最高。將通氣位置移至床層上方,在同樣通氣量的條件下,上部通氣有更高的光催化效率。建立了流化床光催化反應(yīng)器床層內(nèi)液相苯酚濃度徑向分布模型,模型的結(jié)果解釋了液相流量對(duì)光催化氧化苯酚的影響。通過(guò)對(duì)模型積分計(jì)算出的平均液相苯酚濃度與試驗(yàn)測(cè)量值的比較,大部分誤差在30%以?xún)?nèi),說(shuō)明建立的模型可以較好地描述流化床光催化氧化苯酚的過(guò)程。 其它運(yùn)行條件一致的前提下,5種氧化過(guò)程對(duì)苯酚降解總量的順序?yàn)?TiO2/UV/O3 UV/O3/AC TiO2/UV/O2 UV/O3 O3。光催化-臭氧氧化的作用機(jī)制為臭氧俘獲了光生電子而后生成羥基自由基,這種協(xié)同作用使得其反應(yīng)效率最高。據(jù)此,建立了UV/O3/AC和UV/O3/TiO2-AC氧化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,所建立的模型誤差在5%以?xún)?nèi),可以很好的描述各種多相反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算各均相和多相反應(yīng)表觀反應(yīng)速率常數(shù)的結(jié)果表明,TiO2/UV/O3與TiO2/UV/O2過(guò)程中多相光催化反應(yīng)速率常數(shù)之比為3.7,說(shuō)明臭氧比氧更適合作為光生電子的俘獲劑,減少電子空穴的復(fù)合,提高光催化反應(yīng)的效率。
【圖文】：

Sclafani 和 Herranman 通過(guò)對(duì) TiO2光電導(dǎo)率的測(cè)定，證實(shí)了在光催化反應(yīng)中超氧離子自由基(2O i )的存在，一個(gè)可能發(fā)生的反應(yīng)為：2 2 2H O + O OH+ OH i →i (1-11)以上式子中，產(chǎn)生了非常活潑的羥基自由基以及超氧離子自由基，它們都是氧化性很強(qiáng)的活潑自由基，能夠?qū)⒏鞣N有機(jī)物直接氧化為 CO2、H2O 等無(wú)機(jī)小分子。而且因?yàn)樗鼈兊难趸芰?qiáng)，使氧化反應(yīng)一般不停留在中間步驟，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物。Anpo 等[88]用電子自旋共振譜(ESR)觀察冷卻至 77K 的丙炔加氫反應(yīng)體系，證實(shí)了體系中羥基自由基的存在。同時(shí)，還能觀察到 Ti3+及其他一些含氧自由基的 ESR 信號(hào),但這些譜峰很弱，因?yàn)槌叵逻@些自由基不穩(wěn)定，存在時(shí)間短而難以檢測(cè)到。通常情況下，光催化降解有機(jī)物反應(yīng)需要液相、氣相、目標(biāo)污染物和光催化劑的同時(shí)存在。水對(duì)于 TiO2光催化反應(yīng)來(lái)說(shuō)是必不可少的，研究表明，，當(dāng)沒(méi)有水存在時(shí)，TiO2對(duì) 2-丙醇并沒(méi)有光催化降解作用[89]。近年來(lái)，對(duì) TiO2光催化降解有機(jī)物的反應(yīng)機(jī)理的已有較多研究[90-92]。人們同時(shí)也對(duì)光催化降解酚

但很快就被氧所俘獲生成了 HO2自由基并最終轉(zhuǎn)化為 OH。圖 1-3 TiO2光催化礦化有機(jī)物所涉及到的主要過(guò)程概念圖Fig. 1-2 Conceptual diagram for the primary processes involved in photomineralisation oforganic compounds
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類(lèi)號(hào)】：X703.1

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2 黃福娟;;節(jié)能、減少污染的新途徑——用流化床預(yù)熱玻璃配合料[J];磚瓦世界;1986年09期

3 陸德金;;流化床煅燒低溫合成粉煤灰水泥熟料的研究[J];南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1987年04期

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本文編號(hào)：2594241