双室生物电化学系统的水动力学研究

发布时间：2020-08-02 05:46

【摘要】：在废水处理领域,生物电化学系统(BES)作为一种新型技术受到广泛关注。BES的基本原理是微生物作为催化剂,将废水中有机物的化学能转化为电能,因此BES具有处理废水和回收能源双重效果的突出优势。众所周知,水动力学是废水处理反应器运行性能的重要影响因素,而目前关于BES水动力学特性方面的研究较为缺乏。考虑水动力学影响BES反应器产电性能的机理比较复杂,通过数值模拟和实验研究相结合的思路更有助于理解水动力学调控反应器产电性能的影响机制。本文主要运用停留时间分布(RTD)技术与计算流体力学(CFD)模拟相结合的方法来研究典型双室BES阳极室和阴极室的水动力学。主要研究内容和结论如下:1.生物电化学反应器阳极室水力学特性的研究。设置四个不同水力停留时间(HRT),进行示踪实验来获取RTD曲线,然后对RTD数据进行统计学定量分析,再结合RTD曲线特征的定性分析,从而判断反应器内部流态。研究结果表明,反应器内部存在大量死区,反应器水动力学条件不佳;进一步分析,HRT越小,相应的反应器死区越小,即水动力学条件越好。运用CFD模拟反应器内部的流场分布,通过对流场的可视化来判断反应器死区主要集中在远离进出口的拐角区域。然后通过加回流装置和加挡板两种方法来改善流态,结合相同的RTD实验分析和CFD模拟,可以得出这两种方法能够很好地改善反应器流态,减小反应器死区。最后,通过BES反应器产电实验进行验证,得出水动力学条件越好,相应的产电性能越高。同样地,加回流装置和加挡板两种方法也确实可以提高反应器产电性能。2.生物电化学反应器阴极室水力学特性的研究。阴极室的水动力学通过影响电极周围的流场分布,进而影响电极附近的氧气传质-反应过程。运用CFD中的气液两相流模型对不同曝气条件下阴极室的水动力学进行模拟,采用欧拉-欧拉算法体系,稳态模拟获得气液流场分布和空气体积分数分布。主要从曝气强度、电极(碳纸)的相对空间位置、气泡尺寸、曝气装置个数等四个方面探究不同操作因素对水动力学的影响机制,同时考虑对阴极室阳离子交换膜氧气扩散通量的影响,得出各操作参数对水动力学的影响规律:在一定范围内,适中的曝气强度(1m/s)、居中的碳纸的相对倾斜角(45°)、适中的气泡尺寸(0.5mm)、适中的曝气装置个数(2个)时阴极室的水动力学表现更好,更有利于氧气传质和反应,进而提高阴极室性能。因此,调控阴极室的曝气条件,进而优化阴极室的水动力学很重要。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

原理图,生物电化学,基本原理,电化学活性

逡逑阴极，并在阴极发生相关还原反应。具体的生物电化学原理图如图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）逦、逡逑０２邋＋邋８Ｈ＋邋＋邋８ｅ－邋－＞邋４Ｈ２０逦Ｅ°邋＝邋０．８邋Ｖ逦（２）逡逑Ｅｘｔｅｒｎａｌ邋Ｒｅｓｉｓｔｅｒ逡逑．逡逑？！：！逦丨：１０逡逑ｉ｜逦；逡逑逦逦—逡逑＞ｅ—，Ｉ邋ｉ逡逑ｃ0２＋邋＾逦ｉ邋ｉ逦０邋＇ｍ逡逑＿逦ｉ（逡逑Ｖ邋一—Ｉ逦、、＾５邋ｔ邋Ｊ逡逑．Ｊ逦＾邋Ｉ邋！逦逦逡逑（Ｂｉｏ）Ａｎｏｄｅ逦Ｓｅｐａｒａｔｅｒ邋Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑图１．１生物电化学系统的基本原理图［１２］逡逑１．１．２微生物电化学系统性能的影响因素逡逑根据目前通用的微生物电化学系统，主要由电极材料、电化学活性细菌（ＥＡＢ）逡逑和底物种类组成，所以ＢＥＳ运行性能与这三种因素密切相关。在优化微生物电化逡逑学系统时，应该对这三种因素进行综合考虑。逡逑（１）电化学活性细菌逡逑在影响微生物电化学系统运行性能的诸多因素中，电化学活性细菌扮演着举逡逑足轻重的关键作用。电化学活性细菌主要指的是一类在微生物代谢过程中具有电逡逑化学活性功能的细菌，可以导电性物质作为电子供体或电子受体，不仅自身能代逡逑谢产生电子，还能与固体电极之间传递电子。通常为了研宄电化学活性细菌与电逡逑极之间的电子传递机理

石墨颗粒,碳板,碳毡,阳极材料

采用不同的阳极材料（碳棒、碳毡、石墨颗粒、不锈钢网、碳板等）分别进行对逡逑照实验［７３］。研宄结果表明，当反应器的阳极材料为石墨颗粒和碳毡时，流场分逡逑布更均匀，导致更均匀的乙酸浓度分布，产电性能得到提高。流场模拟如图１．２逡逑所示。逡逑１２逡逑

示意图,双室,反应器,阳极室

图２．１双室ＢＥＳ反应器示意图逡逑

【参考文献】