微通道反應(yīng)器臭氧傳質(zhì)及臭氧氧化降解五氯苯酚（PCP）特性研究

摘要

    利用“T”型微通道反應(yīng)器研究臭氧傳質(zhì)及臭氧氧化降解五氯苯酚（PCP）特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同氣液流速下的總體液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLα，得到其與無(wú)因次數(shù)的關(guān)聯(lián)式，確定氣液界面面積及液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kL；發(fā)現(xiàn)PCP與O3反應(yīng)為瞬時(shí)反應(yīng)，PCP濃度和氣相O3濃度影響臭氧通量和傳質(zhì)增強(qiáng)因子；還研究了pH、氣液流速、氣相O3濃度對(duì)PCP降解效率的影響，結(jié)果表明微通道反應(yīng)器在臭氧傳質(zhì)和PCP降解方面性能優(yōu)異。

 詳細(xì)總結(jié)

1. 研究背景

    - 五氯苯酚（PCP）的危害及處理難題：PCP是一種廣泛使用的有機(jī)污染物，具有高毒性和難降解性，傳統(tǒng)生物處理方法對(duì)其降解效果不佳。

    - 臭氧氧化法及微通道反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)：臭氧氧化法作為高級(jí)氧化工藝，能有效降解有機(jī)污染物，微通道反應(yīng)器具有高比表面積、高效傳質(zhì)傳熱等優(yōu)點(diǎn)，本研究旨在探究其在PCP臭氧氧化中的應(yīng)用。

2. 實(shí)驗(yàn)方法

    - 實(shí)驗(yàn)材料：使用去離子水、五氯苯酚、多種分析純化學(xué)試劑，實(shí)驗(yàn)前對(duì)試劑未進(jìn)一步純化。

    - 分析儀器：利用臭氧檢測(cè)儀、TOC分析儀、pH計(jì)等儀器分別測(cè)量氣態(tài)和溶解態(tài)臭氧濃度、總有機(jī)碳、溶液pH值。

    - 實(shí)驗(yàn)裝置：采用“T”型微通道反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)分為無(wú)PCP時(shí)臭氧傳質(zhì)和有PCP時(shí)相關(guān)研究?jī)刹糠郑瑢?shí)驗(yàn)在連續(xù)模式下進(jìn)行。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

    - 臭氧傳質(zhì)特性：在無(wú)化學(xué)反應(yīng)時(shí)，增大氣相流速UG或液相流速UL，總體液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLα均增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同流型下kLα與無(wú)因次數(shù)ReG、ReL、ScL的關(guān)聯(lián)式，平均絕對(duì)相對(duì)誤差顯示關(guān)聯(lián)式準(zhǔn)確性較高。通過(guò)化學(xué)方法測(cè)定氣液界面面積，發(fā)現(xiàn)界面面積隨UG增大而增大，受UL影響較??；計(jì)算得到的液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kL隨UG和UL增大而增大，且UL對(duì)kL影響更顯著。利用傅里葉數(shù)評(píng)估界面面積有效性，發(fā)現(xiàn)較高UG在低UL時(shí)會(huì)降低界面面積有效性。在有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，PCP濃度增加使臭氧通量JO3和傳質(zhì)增強(qiáng)因子EO3增大，氣相O3濃度增加使JO3增大但EO3減小。通過(guò)研究EO3與界面臭氧濃度倒數(shù)的關(guān)系，確定PCP與O3反應(yīng)為瞬時(shí)反應(yīng)，并計(jì)算出相關(guān)參數(shù)。

    - PCP降解效率的影響因素：初始pH從6.0增加到10.0時(shí)，PCP去除率從20.15%提高到55.61%，繼續(xù)增加到12.0時(shí)，去除率提升不明顯，堿性條件有利于PCP降解，但過(guò)高pH會(huì)積累惰性中間體。氣液流速增加時(shí)，PCP去除率先增大后減小，可用無(wú)量綱數(shù)Da*解釋該現(xiàn)象。氣相O3濃度從0.21mM增加到1.46mM，PCP去除率從24.52%提升到76.28%，過(guò)高濃度時(shí)去除率提升變緩，因會(huì)積累對(duì)O3不活潑的中間體。連續(xù)臭氧氧化實(shí)驗(yàn)表明，該反應(yīng)為擬一級(jí)反應(yīng)。

4. 研究結(jié)論

    - 確定傳質(zhì)系數(shù)及關(guān)聯(lián)式：測(cè)定不同氣液流速下的kLα，提出其與無(wú)因次數(shù)的關(guān)聯(lián)式，且關(guān)聯(lián)式在實(shí)驗(yàn)條件下適用性良好。

    - 明確反應(yīng)特性及影響因素：確定PCP與O3反應(yīng)為瞬時(shí)反應(yīng)，主要發(fā)生在氣液界面；明確pH、氣液流速、氣相O3濃度對(duì)PCP降解效率的影響規(guī)律。

    - 證明微通道反應(yīng)器性能優(yōu)異：“T”型微通道反應(yīng)器在臭氧傳質(zhì)和PCP降解方面表現(xiàn)出色，在處理其他有機(jī)污染物方面可能具有競(jìng)爭(zhēng)力。

 關(guān)鍵問(wèn)題

1. 微通道反應(yīng)器在臭氧傳質(zhì)和PCP降解方面有哪些優(yōu)勢(shì)？

    - 微通道反應(yīng)器具有極高的比表面積，氣液界面面積可達(dá)2000 - 50,000m2/m3 ，能顯著提高傳質(zhì)效率；在PCP降解實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變氣液流速等條件，發(fā)現(xiàn)其能有效促進(jìn)臭氧與PCP反應(yīng)，使PCP去除率明顯提高，展現(xiàn)出良好的降解性能。

2. 如何確定PCP與O3的反應(yīng)屬于瞬時(shí)反應(yīng)？

    - 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，一方面，隨著PCP濃度增加，臭氧通量JO3和傳質(zhì)增強(qiáng)因子EO3增大，且氣相O3濃度增加時(shí)EO3減?。涣硪环矫?，研究EO3與界面臭氧濃度倒數(shù)（CO3,i,L）-1的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)EO3與（CO3,i,L）-1呈線性函數(shù)關(guān)系，根據(jù)相關(guān)理論可判斷PCP與O3的反應(yīng)為瞬時(shí)反應(yīng)。

3. 氣相O3濃度對(duì)PCP降解效率有怎樣的影響，為什么會(huì)出現(xiàn)這種影響？

    - 影響：氣相O3濃度從0.21mM增加到1.46mM時(shí)，PCP去除率從24.52%提升到76.28% ，但在1.04 - 1.46mM范圍內(nèi)，PCP去除率提升變緩。

    - 原因：氣相O3濃度增加會(huì)使微通道內(nèi)平均傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增大，更多O3從氣相轉(zhuǎn)移到液相，促進(jìn)PCP降解；然而，過(guò)高的氣相O3濃度會(huì)導(dǎo)致PCP降解產(chǎn)生的一些中間體積累，這些中間體對(duì)O3分子不活潑，從而使PCP去除率提升變緩。