發(fā)布時間：2020-10-10 00:59

　　 高壓脈沖水中放電降解有機物是一種新型的水處理高級氧化技術(shù),是脈沖功率技術(shù)與環(huán)境水處理、等離子體化學(xué)等多學(xué)科的交叉融合；集合高能電子輻射、紫外光輻射、自由基氧化等多種高級氧化技術(shù)于一體。不但對目前各種難降解有機污染物具有普遍的適用性,更因其簡便、高效、無二次污染等特點具備了廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。 本文從能量角度出發(fā),采用氣液兩相放電等離子體和化學(xué)的方法,在分析高壓脈沖水中放電特性及系統(tǒng)參數(shù)對亞甲基藍(lán)模擬廢液降解影響因素的基礎(chǔ)上,搭建一套反應(yīng)器擴大條件下的水處理實驗平臺,為高壓脈沖水處理技術(shù)的進(jìn)一步放大和工業(yè)化應(yīng)用打下基礎(chǔ),提供有益參考。論文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新性結(jié)論包括： 1)設(shè)計研制了一種新型納秒級高壓脈沖電源。采用電容儲能方式的雙火花隙充放電回路隔離設(shè)計；通過對電路建模及解析求解,分析了電源主電路的最佳工作狀態(tài)并由此確定電路各參數(shù)值。利用工程電磁場仿真軟件對電源核心元件多電極旋轉(zhuǎn)火花隙開關(guān),其不同旋轉(zhuǎn)角度下的關(guān)合開斷電場強度進(jìn)行仿真計算,結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)火花隙充放電回路中強烈的電場畸變能夠保證開關(guān)的可靠動作；同時達(dá)到減小電極燒蝕,延長工作壽命和降低放電分散性等目的。實測結(jié)果表明,所設(shè)計研制的納秒級脈沖電源具有：單脈沖能量可調(diào)(0.25J-20J)、平均功率可調(diào)(25W-2kW)、高重復(fù)頻率(20-600Hz)、陡峭上升沿(100ns)、窄脈寬(1μs)、可靠開斷、耐燒蝕等優(yōu)點,能夠達(dá)到等離子體水處理應(yīng)用要求。 2)結(jié)合傳統(tǒng)針-板反應(yīng)器與線-板反應(yīng)器特點,設(shè)計研制了大容量水處理用等離子體鋸齒線-板放電反應(yīng)器。該反應(yīng)器總設(shè)計容量達(dá)到42L,采用四象限鋸齒線電極,可以根據(jù)需要組成多單元串并聯(lián)放電模式,在形成多個放電通道的同時更加注重氣液混合放電的協(xié)同效果。 3)研究了單一水介質(zhì)條件下系統(tǒng)主要參數(shù)對脈沖放電特性的影響,包括波形特征和脈沖能量利用情況。實驗表明：提高交流輸入電壓、增大脈沖儲能電容及溶液電導(dǎo)率,減小放電間距等都能夠使單脈沖注入能量得到不同程度的提升。但能量注入效率發(fā)展情況卻各有不同：提高輸入電壓使得能量注入效率呈現(xiàn)先增后減趨勢；增大脈沖儲能電容只能讓能量注入效率一直下降；增大溶液電導(dǎo)率及減小放電間距卻可以保持能量注入效率不斷提高。 4)分析了高壓脈沖水中放電過程中起主要降解作用的活性物質(zhì)(如羥基自由基、臭氧、過氧化氫等)成因及各自降解轉(zhuǎn)化機理。放電產(chǎn)生的過氧化氫和臭氧分別在25min和9min左右的反應(yīng)時間出現(xiàn)溶解轉(zhuǎn)化,過氧化氫的生成濃度遠(yuǎn)高于臭氧。過氧化氫和臭氧的產(chǎn)率都隨放電間距和溶液電導(dǎo)率的減小而線性增大；曝氣的加入削弱了電導(dǎo)率對放電特性的影響。不同曝氣條件下,過氧化氫產(chǎn)生濃度次序為：無曝氣氧氣空氣氮氣；臭氧產(chǎn)生濃度次序為：氧氣空氣氮氣無曝氣,均與各自反應(yīng)歷程和能量利用情況有關(guān)。 5)依托所設(shè)計研制的電源/反應(yīng)器系統(tǒng),從直接氧化角度和能量利用角度兩方面出發(fā),考察了系統(tǒng)主要參數(shù)對亞甲基藍(lán)污染物降解效果的影響,以此為參考對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化總結(jié),達(dá)到整體電源/反應(yīng)器系統(tǒng)的良好匹配。亞甲基藍(lán)溶液的氧化效率和氧化速度都隨交流輸入電壓、脈沖重復(fù)頻率、脈沖儲能電容的增大而有不同程度的提高,但這種提高通常以高能耗為代價。放電間距和溶液電導(dǎo)率的加大降低了亞甲基藍(lán)氧化效率；入口質(zhì)量濃度、空氣曝氣量及溶液pH的增大有助于亞甲基藍(lán)氧化速度和系統(tǒng)能量利用效率的提升。不同反應(yīng)溶液體積的實驗結(jié)果表明：在反應(yīng)器擴大化條件下,處理量越大,能耗越低,運行成本在系統(tǒng)優(yōu)化整合后可以得到有效控制。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：X703
【文章目錄】：
致謝
中文摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 課題研究背景和意義
    1.2 廢水有機物處理方法比較
        1.2.1 傳統(tǒng)水處理方法
        1.2.2 高級氧化技術(shù)
        1.2.3 非平衡等離子體
    1.3 高壓脈沖水中放電技術(shù)形成與發(fā)展
        1.3.1 液電效應(yīng)
        1.3.2 高壓脈沖水中放電理論模型
        1.3.3 液電水處理技術(shù)研究進(jìn)展
    1.4 課題研究內(nèi)容
2 新型脈沖電源/反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計及特性測試
    2.1 納秒級高壓脈沖電源設(shè)計
        2.1.1 電源組成及工作原理
        2.1.2 主電路模型建立及分析
        2.1.3 多電極旋轉(zhuǎn)火花隙開關(guān)的研制
        2.1.4 火花隙開關(guān)靜電場仿真分析
    2.2 鋸齒線-板放電反應(yīng)器設(shè)計
        2.2.1 等離子體反應(yīng)器設(shè)計思路
        2.2.2 鋸齒線-板反應(yīng)器結(jié)構(gòu)組成
        2.2.3 反應(yīng)器靜態(tài)電容計算
        2.2.4 反應(yīng)器放電狀態(tài)等效電路
    2.3 本章小結(jié)
3 高壓脈沖水處理實驗裝置及測試方法
    3.1 實驗裝置及工藝流程
    3.2 分析測試方法
        3.2.1 亞甲基藍(lán)模擬廢液
        3.2.2 亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度測定
        3.2.3 溶液電導(dǎo)率及pH測定
        3.2.4 甲基藍(lán)降解過程中間產(chǎn)物的測定
    3.3 活性物質(zhì)的實驗測定
        3.3.1 水中過氧化氫的測定
        3.3.2 水中臭氧的測定
4 高壓脈沖水中放電特性研究
    4.1 氣泡過程
    4.2 水中脈沖放電特性測量
    4.3 系統(tǒng)參數(shù)對脈沖放電特性的影響
        4.3.1 交流輸入電壓對放電特性的影響
        4.3.2 脈沖儲能電容對放電特性的影響
        4.3.3 鋸齒線-板間距對放電特性的影響
        4.3.4 溶液電導(dǎo)率對放電特性的影響
        4.3.5 反應(yīng)器極配形式對放電特性的影響
    4.4 本章小結(jié)
5 液電等離子體活性物質(zhì)生成及產(chǎn)率分析
    5.1 活性物質(zhì)降解有機物機理研究
        5.1.1 羥基自由基的生成及反應(yīng)原理
        5.1.2 過氧化氫的生成及反應(yīng)原理
        5.1.3 臭氧的生成及反應(yīng)原理
    5.2 系統(tǒng)參數(shù)對活性物質(zhì)的影響及產(chǎn)率分析
        5.2.1 交流輸入電壓對過氧化氫和臭氧產(chǎn)率影響
        5.2.2 鋸齒線-板間距對過氧化氫和臭氧產(chǎn)率影響
        5.2.3 不同曝氣源對過氧化氫和臭氧產(chǎn)率影響
        5.2.4 溶液電導(dǎo)率對過氧化氫和臭氧產(chǎn)率影響
    5.3 本章小結(jié)
6 電源/反應(yīng)器不同參數(shù)情況對亞甲基藍(lán)降解影響
    6.1 水處理常用評價參數(shù)
    6.2 脈沖電源參數(shù)優(yōu)化
        6.2.1 交流輸入電壓對亞甲基藍(lán)降解影響
        6.2.2 脈沖重復(fù)頻率對亞甲基藍(lán)降解影響
        6.2.3 脈沖儲能電容對亞甲基藍(lán)降解影響
    6.3 反應(yīng)器參數(shù)優(yōu)化
        6.3.1 鋸齒線-板間距對亞甲基藍(lán)降解影響
        6.3.2 溶液電導(dǎo)率對亞甲基藍(lán)降解影響
        6.3.3 空氣曝氣量對亞甲基藍(lán)降解影響
        6.3.4 反應(yīng)溶液體積對亞甲基藍(lán)降解影響
        6.3.5 溶液入口質(zhì)量濃度對亞甲基藍(lán)降解影響
        6.3.6 溶液pH對亞甲基藍(lán)降解影響
    6.4 甲基藍(lán)降解中間產(chǎn)物測定及過程分析
    6.5 本章小結(jié)
7 總結(jié)與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 研究展望
參考文獻(xiàn)
作者簡歷
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2834480