光磁耦合污水處理裝置的開發(fā)和效能研究.pdf

1、本課題就目前高級催化裝置發(fā)展中存在的問題以及光催化和磁場發(fā)展的現(xiàn)狀，提出了新型的光磁耦合污水處理技術(shù)。該技術(shù)是將磁場單元和光催化單元組合在一起，使兩者在廢水處理過程中，不但起到自身的作用效果，而且能夠達(dá)到相互耦合的作用。在光磁耦合的過程中，磁場能夠使光催化過程產(chǎn)生的(·OH)基團(tuán)的活性增加，并且通過影響在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫鍵和氧化自由基單線態(tài)和三線態(tài)之間的轉(zhuǎn)化率，以提高光催化反應(yīng)速率，加強(qiáng)光磁耦合效能;而光催化劑在光的輻射情況下，不但會

2、因光誘導(dǎo)自身電荷轉(zhuǎn)移引起物質(zhì)本身激活中心濃度的變化，而且磁場作用會使磁性光催化劑原本雜亂無章的原子磁矩變得有序性，這些均有利于加強(qiáng)光磁耦合能效。光催化和磁場沒有二次污染，均為清潔處理技術(shù)，因此，光磁耦合污水處理技術(shù)在廢水處理行業(yè)將有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的光磁耦合污水處理設(shè)備。光催化區(qū)域以多點(diǎn)源疊加近似理論為依據(jù)，將三根紫外燈管以120℃均勻布置在反應(yīng)器內(nèi)部，計(jì)算結(jié)果顯示，在任意兩根燈管對稱軸線靠近反應(yīng)器

3、壁附近區(qū)域的紫外線強(qiáng)度較小，而在三根紫外燈管間的區(qū)域紫外線強(qiáng)度較強(qiáng)且相對均勻，能夠使磁性光催化劑得到較為均勻的輻射劑量。磁場的設(shè)計(jì)以亥姆霍茲線圈理論為依據(jù)，采用可產(chǎn)生1mT-100mT勻強(qiáng)磁場的5對圓環(huán)形線圈，通過MATLAB對該線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布進(jìn)行了計(jì)算可視化模擬，發(fā)現(xiàn)該線圈內(nèi)部可認(rèn)為是勻強(qiáng)磁場，從而產(chǎn)生光磁耦合污水處理裝置運(yùn)行時(shí)所需的磁場強(qiáng)度分布，提高裝置對污水的降解效果。同時(shí)，對裝置內(nèi)流體采用流體力學(xué)軟件Fluent，并以

4、標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型和有限體積法進(jìn)行計(jì)算模擬，結(jié)果顯示在反應(yīng)區(qū)有較為均勻穩(wěn)定的環(huán)流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，有利于延長磁性光催化劑在反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)時(shí)間，綜合提高了光磁耦合反應(yīng)效率，并且攪拌槳距離底部的位置對反應(yīng)容器中沉淀的下降有著一定的影響，攪拌槳距離裝置底部較遠(yuǎn)時(shí)，有利于沉淀的有效下沉。
　　在開發(fā)裝置的基礎(chǔ)上，對裝置中進(jìn)行初步光磁耦合試驗(yàn)研究，并做了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上簡要分析了光磁耦合污水處理技術(shù)的機(jī)理。單因素試驗(yàn)中考察了磁性光

5、催化劑投加量、磁場強(qiáng)度、初始質(zhì)量濃度、pH值及光照時(shí)間對模擬廢水降解效果的影響，通過試驗(yàn)可知，當(dāng)在外加磁場70 mT作用下，磁性光催化劑投加量1.0 g/L，初始質(zhì)量濃度10mg/L，pH值11，光照時(shí)間90 min時(shí)，光磁污水處理技術(shù)對亞甲基藍(lán)溶液COD去除率和脫色率分別為77.58％、86.02％。正交試驗(yàn)后通過Design-Expert7.0.0軟件對正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析，結(jié)果表明最佳工藝條件為:磁場強(qiáng)度73.95 mT