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。通過實驗測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)生物處理方法對其降解效果不佳。

    - 臭氧氧化法及微通道反應(yīng)器的優(yōu)勢：臭氧氧化法作為高級氧化工藝，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，本研究旨在探究其在PCP臭氧氧化中的應(yīng)用。

2. 實驗方法

    - 實驗材料：使用去離子水、五氯苯酚、多種分析純化學(xué)試劑，實驗前對試劑未進(jìn)一步純化。

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

    - 實驗裝置：采用“T”型微通道反應(yīng)器，實驗分為無PCP時臭氧傳質(zhì)和有PCP時相關(guān)研究兩部分，實驗在連續(xù)模式下進(jìn)行。

3. 實驗結(jié)果與討論

    - 臭氧傳質(zhì)特性：在無化學(xué)反應(yīng)時，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)實驗數(shù)據(jù)得到不同流型下kLα與無因次數(shù)ReG、ReL、ScL的關(guān)聯(lián)式，平均絕對相對誤差顯示關(guān)聯(lián)式準(zhǔn)確性較高。通過化學(xué)方法測定氣液界面面積，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kL影響更顯著。利用傅里葉數(shù)評估界面面積有效性，發(fā)現(xiàn)較高UG在低UL時會降低界面面積有效性。在有化學(xué)反應(yīng)時，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)為瞬時反應(yīng)，并計算出相關(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，PCP去除率從20.15%提高到55.61%，繼續(xù)增加到12.0時，去除率提升不明顯，堿性條件有利于PCP降解，但過高pH會積累惰性中間體。氣液流速增加時，PCP去除率先增大后減小，可用無量綱數(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%，過高濃度時去除率提升變緩，因會積累對O3不活潑的中間體。連續(xù)臭氧氧化實驗表明，該反應(yīng)為擬一級反應(yīng)。

4. 研究結(jié)論

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

    - 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爭力。

 關(guān)鍵問題

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？

    - 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降解實驗中，通過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)屬于瞬時反應(yīng)？

    - 從實驗結(jié)果來看，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EO3減??；另一方面，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)為瞬時反應(yīng)。

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

    - 影響：氣相O3濃度從0.21mM增加到1.46mM時，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濃度增加會使微通道內(nèi)平均傳質(zhì)驅(qū)動力增大，更多O3從氣相轉(zhuǎn)移到液相，促進(jìn)PCP降解；然而，過高的氣相O3濃度會導(dǎo)致PCP降解產(chǎn)生的一些中間體積累，這些中間體對O3分子不活潑，從而使PCP去除率提升變緩。