基于流化床多相光催化—臭氧氧化苯酚及动力学模型研究
发布时间：2020-03-22 01:28
【摘要】：二氧化钛光催化在环境污染物治理过程中的研究已经较为深入,但绝大多数仍处于实验室阶段,其主要的原因是悬浆式光催化剂暴露出易失活、易凝聚、难回收的缺点和负载后的光催化剂催化效率不够理想。而对于反应器的研究,只是基于实验需要制作的简易装置,由于进一步的研究涉及到相对复杂的多相光催化机理和反应动力学原理,尚未有适用的反应体系与装置问世。因此,设计高效的光催化反应器并对反应器进行详细评价,为其实际应用提供理论依据势在必行。对于负载型TiO2/UV/O3光催化降解有机物的反应动力学,研究者所建立的模型大多以悬浆型TiO2光催化常用的Langmuir-Hinshelwood模型为主。由于引入了臭氧,反应过程复杂得多。因此需要建立耦合多个反应的动力学模型,用以解释TiO2/UV/O3光催化降解苯酚的动力学过程。 综合考虑流化床中固相和液相流化状态的观察结果,以及对液-固流化床、气-液-固三相流化床的初始流化速度测量和预测的结果和系统运行的经济性、维护管理等方面的因素,认为采用小粒径球形活性炭颗粒(Kureha 0.64mm)作为TiO2载体更为合理。 以Sol-gel法将TiO2负载到球形活性炭颗粒表面。结果表明,该方法可以将TiO2均匀地负载到颗粒表面,负载量为6.51 wt%。表面负载没有改变原活性炭表面的多孔结构,制备的光催化剂对苯酚的吸附能力并没有比原活性炭明显下降。两种颗粒对苯酚的吸附/脱附是可逆的,可以用Freundlich等温吸附模型较好地描述。 在此基础上采用朗伯-比尔定律并结合流化床中固相运动规律建立了床层径向光强分布模型,为流化床光催化反应器处理苯酚废水模型建立提供依据。结果表明,流化床中光强度沿径向呈指数衰减,并且随着床层固相含率的升高而加速。 流化床操作条件对降解效率的影响研究表明,当通气量为3 L/min液相流量为13.8 L/min时,流化床光催化氧化苯酚的效率最高。将通气位置移至床层上方,在同样通气量的条件下,上部通气有更高的光催化效率。建立了流化床光催化反应器床层内液相苯酚浓度径向分布模型,模型的结果解释了液相流量对光催化氧化苯酚的影响。通过对模型积分计算出的平均液相苯酚浓度与试验测量值的比较,大部分误差在30%以内,说明建立的模型可以较好地描述流化床光催化氧化苯酚的过程。 其它运行条件一致的前提下,5种氧化过程对苯酚降解总量的顺序为:TiO2/UV/O3 UV/O3/AC TiO2/UV/O2 UV/O3 O3。光催化-臭氧氧化的作用机制为臭氧俘获了光生电子而后生成羟基自由基,这种协同作用使得其反应效率最高。据此,建立了UV/O3/AC和UV/O3/TiO2-AC氧化过程的动力学模型,与实验数据对比,所建立的模型误差在5%以内,可以很好的描述各种多相反应的动力学过程。根据实验数据计算各均相和多相反应表观反应速率常数的结果表明,TiO2/UV/O3与TiO2/UV/O2过程中多相光催化反应速率常数之比为3.7,说明臭氧比氧更适合作为光生电子的俘获剂,减少电子空穴的复合,提高光催化反应的效率。
【图文】：
Sclafani 和 Herranman 通过对 TiO2光电导率的测定，证实了在光催化反应中超氧离子自由基(2O i )的存在，一个可能发生的反应为：2 2 2H O + O OH+ OH i →i (1-11)以上式子中，产生了非常活泼的羟基自由基以及超氧离子自由基，它们都是氧化性很强的活泼自由基，能够将各种有机物直接氧化为 CO2、H2O 等无机小分子。而且因为它们的氧化能力强，使氧化反应一般不停留在中间步骤，不产生中间产物。Anpo 等[88]用电子自旋共振谱(ESR)观察冷却至 77K 的丙炔加氢反应体系，证实了体系中羟基自由基的存在。同时，还能观察到 Ti3+及其他一些含氧自由基的 ESR 信号,但这些谱峰很弱，因为常温下这些自由基不稳定，存在时间短而难以检测到。通常情况下，光催化降解有机物反应需要液相、气相、目标污染物和光催化剂的同时存在。水对于 TiO2光催化反应来说是必不可少的，研究表明，，当没有水存在时，TiO2对 2-丙醇并没有光催化降解作用[89]。近年来，对 TiO2光催化降解有机物的反应机理的已有较多研究[90-92]。人们同时也对光催化降解酚
但很快就被氧所俘获生成了 HO2自由基并最终转化为 OH。图 1-3 TiO2光催化矿化有机物所涉及到的主要过程概念图Fig. 1-2 Conceptual diagram for the primary processes involved in photomineralisation oforganic compounds
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703.1
【图文】：
Sclafani 和 Herranman 通过对 TiO2光电导率的测定，证实了在光催化反应中超氧离子自由基(2O i )的存在，一个可能发生的反应为：2 2 2H O + O OH+ OH i →i (1-11)以上式子中，产生了非常活泼的羟基自由基以及超氧离子自由基，它们都是氧化性很强的活泼自由基，能够将各种有机物直接氧化为 CO2、H2O 等无机小分子。而且因为它们的氧化能力强，使氧化反应一般不停留在中间步骤，不产生中间产物。Anpo 等[88]用电子自旋共振谱(ESR)观察冷却至 77K 的丙炔加氢反应体系，证实了体系中羟基自由基的存在。同时，还能观察到 Ti3+及其他一些含氧自由基的 ESR 信号,但这些谱峰很弱，因为常温下这些自由基不稳定，存在时间短而难以检测到。通常情况下，光催化降解有机物反应需要液相、气相、目标污染物和光催化剂的同时存在。水对于 TiO2光催化反应来说是必不可少的，研究表明，，当没有水存在时，TiO2对 2-丙醇并没有光催化降解作用[89]。近年来，对 TiO2光催化降解有机物的反应机理的已有较多研究[90-92]。人们同时也对光催化降解酚
但很快就被氧所俘获生成了 HO2自由基并最终转化为 OH。图 1-3 TiO2光催化矿化有机物所涉及到的主要过程概念图Fig. 1-2 Conceptual diagram for the primary processes involved in photomineralisation oforganic compounds
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703.1
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4 张先j
本文编号：2594241
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