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光催化氧化反应器数学模型研究

作　者: 王超
导　师: 王志远；程刚
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 环境工程
关键词: 光催化反应器 数学模型 辐射能传递 流态化体系
分类号: X703.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


光催化氧化技术是近30年才出现的一种水处理高级氧化技术,该方法通过光生强氧化剂将有机物彻底氧化为H2O、CO2等小分子物质,适用范围广,对难降解有机物也具有很好的降解效果。但该技术至今未见大规模工业化成功应用的报道,是由于光催化反应器的设计必须考虑光辐射这一重要因素,建立描述光化学行为和光辐射传递过程的关系式,而反应器中的光辐射传递过程受溶液性质、反应器运行方式、催化剂形态等诸多因素联合影响,要完全描述整个光辐射传递过程相当复杂,到目前为止尚无成熟的指导模型。本文通过对描述平板反应器光传递行为的双通量模型进行了修正,建立了流态化光催化氧化反应器的数学模型。以活性艳红K-2BP为模拟污染物,确定了动力学方程中相关参数。通过Crank-Nicholson差分法,调用Maltlab程序对模型进行了数值求解,得到光催化氧化反应器中光强分布和浓度分布情况,绘制了相应的三维曲线图,并讨论了分别改变催化剂浓度、入射光强度、液体流量、反应器尺寸等参数后光强分布和浓度分布的变化。对试验值和模拟值进行了对比,以验证模型的实际应用情况。对如何通过改变反应器相应操作参数来达到最佳降解效果作出了分析和建议。主要获得成果如下:（1）增加K-2BP初始浓度,降解效率增加缓慢,当超过80mg·L-1时,降解效率开始下降,主要是由于催化剂表面活性位迅速被污染物占,同时溶液浓度的升高对光强的吸收量变大使光强径向减弱所致;（2）在不同初始浓度下,ln（c0/c1）与t明显呈一级反应。当初始浓度大于100mg.L-1时,k值较前三个试验浓度下降了一个数量级,出当初始浓度增加到一定程度时,降解效率将有所下降,但仍表现为一级反应;（3）活性艳红K-2BP的光催化降解可用Langmuir-Hinshelwood动力学方程来描述反应速率常数k=8.62mg.L-1.min-1,吸附常数K=2.53×10-2L·mg-1;（4）对双通量模型进行了修正,得到了反应器中光强分布方程,结合传质方程和反应动力学方程建立了流态化反应体系下光催化氧化反应器数学模型;（5）催化剂浓度过多或过少都会降低反应物降解效率;反应物降解效率主要跟光源的波长有关,功率增大与降解效率不成线性关系;液体流量应以起始流化速度为依据,保证体系完全流化及合适的停留时间;（6）对活性艳红K-2BP试验实测值和模型模拟值进行了比较,发现模型有一定的适用性。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 引言  9
  1.2 光催化氧化反应器研究进展  9-11
    1.2.1 悬浮式光催化反应器  9
    1.2.2 负载式光催化反应器  9-11
  1.3 光催化氧化反应器数学模型国内外进展  11-15
    1.3.1 辐射能传递模型  11-13
    1.3.2 反应动力学模型  13-15
    1.3.3 传质问题  15
  1.4 课题研究的目的意义、研究内容  15-17
    1.4.1 研究的目的意义  15-16
    1.4.2 研究内容  16-17
2 流态化光催化反应器降解活性艳红 K-2BP  17-24
  2.1 引言  17
  2.2 试验装置  17-18
    2.2.1 反应器的设计参数  17
    2.2.2 光源特性及光强测定仪器  17-18
  2.3 试验材料和方法  18
    2.3.1 试剂  18
    2.3.2 催化剂  18
  2.4 结果与讨论  18-22
    2.4.1 催化剂投加量对光强分布的影响  18-19
    2.4.2 活性艳红 K-2BP 光催化降解动力学分析  19-22
  2.5 本章小结  22-24
3 光催化氧化反应器数学建模  24-36
  3.1 引言  24
  3.2 建立辐射能传递方程  24-28
    3.2.1 双通量模型介绍  24-25
    3.2.2 建立修正双通量模型  25-28
  3.3 建立反应动力学方程  28-29
  3.4 传质方程  29-30
  3.5 建立光催化氧化反应器数学模型  30-35
    3.5.1 数学模型的建立  30-31
    3.5.2 模型参数的确立  31-32
    3.5.3 模型的数值求解  32-35
  3.6 本章小结  35-36
4 结果与分析  36-52
  4.1 计算机模拟反应器中光强和浓度分布  36-49
    4.1.1 催化剂浓度变化对光强和浓度分布的影响  37-40
    4.1.2 光强变化对光强和浓度分布的影响  40-42
    4.1.3 流速变化对光强和浓度分布的影响  42-45
    4.1.4 改变反应器尺寸对光强和浓度分布的影响  45-49
  4.2 实验实测值与模拟值对比分析  49-51
  4.3 本章小结  51-52
5 结论与建议  52-54
  5.1 本文的研究结论  52
  5.2 对后续工作的建议  52-54
致谢  54-55
参考文献  55-59
硕士研究生阶段发表论文  59

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用 > 设备
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