（环境工程专业论文）电场强化臭氧传质的试验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 l i l l l l l l lli ll l lli i i i i iiil y 17 4 8 7 3 7 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：拎疆男 山l o 年幽日 指导教师签名： 洌。年6 月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果除文中已注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：拾亚男 日期：2 0 1 0 年6 月5 日 电场强化臭氧传质的试验研究 r e s e a r c ho ne n h a n c e m e n to f0 3m a s st r a n s f e r b ye l e c t r i cf i e l d 姓 2 010 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 臭氧由于其强氧化特性，被广泛应用于氧化分解难降解污染物和杀菌消毒 中，但在实际应用中臭氧液相传质效率低，制约了臭氧技术的推广应用。本文提 出了利用电场强化臭氧传质的新方法，并进行了实验研究。利用有限元的方法研 究了非均匀电场作用下的气液两相系统中气泡行为特征，阐明了电场强化传质的 机理；考察了电源参数、放电参数和介质物理参数对传质效率的影响规律；以革 兰氏阴性菌大肠杆菌、不动杆菌作为模式生物，研究了高浓度臭氧水杀菌效果， 得出臭氧水杀菌效果的剂效关系及其动力学模型。主要研究结论如下： 1 ) 非均匀电场作用下，气泡水平两侧电场强度有所增加，气泡顶部和底部 的电场强度有所减小；气泡顶部和底部电场强度并不呈对称分布，在气泡项部场 强达到最小值1 6 7 7 4 k v m ；在沿气泡表面顶部外法线方向，场强梯度最大；气 泡内的场强不为零，比未引入电场前气泡内部电场强度增大约5 0 。 2 ) 非均匀电场作用下，气泡因表面所受电应力分布的不均而不再呈规则球 形，而是沿与电场相平行的方向拉长，最终变成扁长椭球形：且随着场强的增加， 气泡变形量加剧。当形变达到一定程度后，气泡失稳破碎成超微细气泡。 3 ) 随着脉冲电压的增加，水中臭氧质量浓度相应增大，总传质系数相应升 高、气液混合装置溢出尾气中臭氧浓度相应减小；当脉冲电压升到2 0 0 0v 时， 水中臭氧质量浓提高了4 3 1 ，总传质系数提高了8 9 1 1 。 4 ) 电极距离在1 - - 3c m 变化时，随着电极距离的提高，水中臭氧质量浓度相 应增大，总传质系数相应升高、气液混合装置溢出尾气中臭氧浓度相应减小；3c m 时的传质效果最优，1c m 时的传质效果最劣；较小的通气流量有利于提高传质 效果，q = 6 0 m l m i n 的臭氧传质效果均好于q = l o o m l m i n 。 5 ) 高浓度臭氧水对所选择的模式生物( 大肠杆菌、不动杆菌) 均有很强的 杀灭作用。随着施加臭氧水剂量( 浓度) 的上升，模式生物的灭活率显著上升； 在l m l 的大肠杆菌菌液中滴加2 5 0 0 l al 臭氧水就可以将浓度约为1 0 6c f u m l 的大肠杆菌全部杀灭；在l m l 的不动杆菌菌液中滴加1 7 5 01 1l 臭氧水就可以将 浓度约为1 0 6c f u m l 的不动杆菌全部杀灭，而且杀灭细菌效果持久，均无细菌 再生现象。 江苏大学硕士学位论文 6 ) 大肠杆菌对于高浓度臭氧水的抗性大于不动杆菌，其灭活速率k 值分别 为0 1 9 2 r a i n 一、0 2 7 9 9 m i n ，c h i c k 一级反应动力学模型能够体现出大肠杆菌、 不动杆菌的灭活特性，所得结论与实验结果一致。 本文所提出的电场强化臭氧传质方法，具有臭氧和水的接触反应充分、溶解 速度快，臭氧气体利用率高、传质效率高、能耗低、操作简单、便于维护等优点， 有着非常乐观的发展前景，能够促进臭氧技术更进一步的推广应用。 关键词：臭氧，电场，传质，浓度，灭菌 n 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t b e c a u s eo fi t ss t r o n go x i d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fo z o n e ，i tw a sw i d e l yu s e di n o x i d a t i o nd e c o m p o s i t i o no fr e f r a c t o r yp o l l u t a n t sa n dd i s i n f e c t i o n ，b u ti nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，i t sm a s st r a n s f e re f f i c i e n c yi nt h el i q u i dp h a s ei sl o w , l i m i t i n gt h ew i d e a p p l i c a t i o no fo z o n et e c h n o l o g y t h en e w m e t h o df o re n h a n c e m e n to fm a s st r a n s f e ri n 0 3 h 2 0c o n t a c t o rw i t he l e c t r i cf i e l dw a sp u tf o r w a r d ，a n dm a d et h ee x p e r i m e n t a l s t u d y b u b b l eb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c si nt h eg a s l i q u i dt w o - p h a s es y s t e mc a u s e db ya n o n u n i f o r me l e c t r i cf i e l dw a ss t u d i e d ，t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d e x p l a i n e d t h em e c h a n i s mo fe l e c t r i cf i e l de n h a n c e dm a s st r a n s f e r ；t h ee f f e c to ft h ep o w e r p a r a m e t e r s 、t h ed i s c h a r g e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s a n dt h ew a s t e w a t e rp h y s i c a l p r o p e r t i e s o nm a s st r a n s f e re f f i c i e n c yw a si n v e s t i g a t e d g r a m n e g a t i v eb a c t e r i a e s c h e r i c h i ac o l i ，a c i n e t o b a c t e rw e r es e l e c t e da sam o d e lo r g a n i s mt os t u d yt h e s t e r i l i z a t i o ne f f e c to fh i g h - c o n c e n t r a t i o no z o n ew a t e r , a n do b t a i n e di t sd o s e e f f e c t r e l a t i o n s h i pa n dt h ed y n a m i cm o d e l t h em a i nc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： 1 ) e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ho nb o t hs i d e so ft h eb u b b l el e v e lh a si n c r e a s e de l e c t r i c f i e l ds t r e n g t ha tt h et o pa n db o t t o mh a sd e c r e a s e d ，w i t ht h en o n u n i f o r me l e c t r i cf i e l d ； e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ha tt h et o pa n db o t t o mw a sn o ts y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o n ；i t r e a c h e sam i n i m u m16 7 7 4 k v ma tt h et o p ；a l o n gt h eo u t s i d et o po ft h eb u b b l e s u r f a c en o r m a ld i r e c t i o n ，t h em a x i m u mg r a d i e n tf i e l ds t r e n g t hw a sg o t ；f i e l ds t r e n g t h i n s i d et h eb u b b l ei sn o tz e r o ，i ti n c r e a s e da b o u t5 0 h i g h e rt h a nt h a to ft h es t a t e w i t h o u te l e c t r i cf i e l d 2 ) w i t ht h en o n - u n i f o r me l e c t r i cf i e l d ，t h es u r f a c ew a sn o tu n i f o r m l ys p h e r i c a l b u b b l ed u et ot h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no fe l e c t r i c a ls t r e s s ，b u tw a s e l o n g a t e da l o n g t h e d i r e c t i o np a r a l l e lw i t ht h ee l e c t r i cf i e l d ，e v e n t u a l l yb e c o m eap r o l a t ee l l i p s o i d ；a n d w i t ht h ef i e l d s t r e n g t hi n c r e a s e s ，t h e b u b b l ed e f o r m a t i o ni n c r e a s e d ，w h e nt h e d e f o r m a t i o nr e a c h e sac e r t a i n d e g r e e ，u l t r a - f i n e b u b b l ea i rb u b b l e s b r e a k i n g i n s t a b i l i t y 3 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fp u l s ev o l t a g e ，o z o n ec o n c e n t r a t i o ni nw a t e ra n dt h et o t a l i i i 江苏大学硕士学位论文 m a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l y , o z o n eo f f - g a sc o n c e n t r a t i o n r e d u c e d w h e nt h ev o l t a g ei s2k v , o z o n ec o n c e n t r a t i o ni nw a t e rq u a l i t yi n c r e a s e db y 4 3 1 ，t h et o t a lm a s st r a n s f e ri n c r e a s e db y8 9 11 h i g h e rt h a nt h a to ft h es t a t e w i t h o u te l e c t r i cf i e l d 4 ) w i t h i nt h ee l e c t r o d e sd i s t a n c er a n g eo f3 - 7c m ，o z o n ec o n c e n t r a t i o ni nw a t e r a n dt h et o t a lm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l y ，o z o n eo f f - g a s c o n c e n t r a t i o nr e d u c e d ；t h eb e s tm a s st r a n s f e rw a sg o t ，u n d e rt h ee l e c t r o d ed i s t a n c e o f3 c m ，t h ew o r s tm a s st r a n s f e rw a sg o t ，u n d e rt h ee l e c t r o d ed i s t a n c eo fl c m ；l e s s a i rf l o wr a t ec a ni m p r o v em a s st r a n s f e r o z o n em a s st r a n s f e ru n d e rt h ef l o wo f 6 0 m l m i ne f f e c t si sb e t t e rt h a nt h ef l o wo f1 0 0 m l m i n 5 ) h j g hc o n c e n t r a t i o no z o n ew a t e rh a sh i g he f f i c a c yi nk i l l i n gt h es e l e c t e dm o d e l o r g a n i s m s ( ec o l i , a c i n e t o b a c t e r ) ；a st h ea p p l i e do z o n ew a t e rd o s e ( c o n c e n t r a t i o n ) i n c r e a s e dt h ei n a c t i v a t i o nr a t eo fm o d e lo r g a n i s m si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ；1m lo fe c o l ib a c t e r i al i q u i d ( 10 6c f u m 1 ) c a nb ec o m p l e t e l yk i l l e d ，w i t h2 5 0 0 t lo z o n ew a t e r ； lm lo fa c i n e t o b a c t e rb a c t e r i al i q u i d ( 10 6c f u m 1 ) c a nb ec o m p l e t e l yk i l l e d ，w i t h 17 5 0p lo z o n ew a t e r ；a n dt h el a s t i n ge f f e c to fk i l l i n g b a c t e r i a ，n ob a c t e r i a r e g e n e r a t i o nw e r eg o t 6 ) e c o l ih a ds t r o n g e rr e s i s t a n c e t oh i g hc o n c e n t r a t i o no z o n ew a t e rt h a n a c i n e t o b a c t e r , a n dt h ei n a c t i v a t i o n r a t ew e r e0 1 9 2 m i n 一1a n d0 2 7 9 9m i n 一1 s e p a r a t e l y ；t h ef i r s to r d e rr e a c t i o nd y n a m i cm o d e lo fc h i c km o d e lc o u l de m b o d yt h e i n a c t i v a t i o nf e a t u r eo fe c o l i ，a c m e w b a c f e r ，t h ec o n c l u s i o na g r e ew i t he x p e r i m e n t a l r e s u l t s 。 t h e p r o p o s e dm e t h o dt h a te l e c t r i cf i e l de n h a n c e so z o n e m a s st r a n s f e ri sp o t e n t i a l f o rap r o p a g a t i o ni n d u s t r ya p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ，s u c ha s ，s u f f i c i e n t c o n t a c tr e a c t i o n ，h ig hd i s s o l u t i o ns p e e d ，h i g ho z o n eg a su t i l i z a t i o nr a t e ，h i 【g hm a s s t r a n s f e re f f i c i e n c y , l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，e a s ym a i n t e n a n c e a n d e a p p l i c a t i o no fo z o n et e c h n o l o g y ：o z o n e e l e c t r i cf i e l d s ，m a s st r a n s f e r ，c o n c e n t r a t i o n ，s t e r i l i z a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及目的1 1 2 国内外研究进展3 1 2 1 机械方式强化传质3 1 2 2 电场强化传质5 1 2 3 超声场强化传质6 1 2 4 研究趋势7 1 3 课题研究内容和技术路线7 1 3 1 研究思路7 1 3 2 研究内容9 1 3 3 创新点9 1 4 本章小结1 0 第二章电场强化臭氧传质机理分析1 1 2 1 引言1 1 2 2 电场数学模型1 1 2 2 1 物理问题描述11 2 2 2 电场控制方程及边界条件1 2 2 3 气液混合反应器空间电场分御计算1 3 2 3 1 气液混合反应器初始状态空问网格化分1 3 2 3 2 气液混合反应器空间等势线及等势面分布1 4 2 3 3 气液混合反应器空j 日j 电场强度分布1 5 2 4 气泡对气液混合反应器空| 、日j 电场分布的影响1 7 2 4 1 两柑系统网格划分1 7 2 4 2 气泡内部及周围空问等势线分布1 8 2 4 3 气泡内部及周围空间电场强度分布。2 0 2 5 气泡形变破碎原因分析一2 5 2 6 本章小结2 6 第三章电场强化臭氧传质的实验研究2 7 3 1 引。言2 7 3 2 材料和方法2 7 3 2 1 实验装置2 7 v 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 实验方案3 1 3 2 3 分析方法。3 2 3 3 结果与讨论3 4 3 3 1 脉冲电压对臭氧传质效果的影响3 4 3 3 2 电极距离对臭氧传质效果的影响3 8 3 3 3 通入气量对臭氧传质效果的影响。4 2 3 4 本章小结4 3 第四章高浓度臭氧水杀菌效果的实验研究4 5 4 1 引言4 5 4 2 实验材料与仪器设备4 6 4 2 1 实验材料4 6 4 2 2 仪器设备4 6 4 3 实验方案及检验方法4 7 4 3 1 菌种的培养及样品制作4 7 4 3 2 实验方案。4 7 4 3 3 杀菌效果的检验4 8 4 3 4 高浓度臭氧水制备与含量测定。4 9 4 4 结果与讨论5 0 4 4 1 高浓度臭氧水对大肠杆菌的杀灭效果5 0 4 4 2 高浓度臭氧水对不动杆菌的杀灭效果5 2 4 4 3 高浓度臭氧水对两种菌杀灭效果的动力学分析。5 4 4 5 本章小结5 6 第五章结论与建议5 7 5 1结j 沦5 7 5 2 建议5 8 参考文献6 0 致谢6 4 攻读硕士期间所发表的学术论文6 5 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及目的 第一章绪论 2 0 世纪中叶以来，随着人类工农业生产的快速发展，特别是合成化学工业 的飞速发展，大量自然界本不存在的有机化合物被发明和生产出来。这类有机物 为人类社会带来了很多方便和利益的同时，也给人类生态环境造成了严重影响。 人们发现，在生产这些有机化合物所产生的大量工业废水中，含有大量的难降解 有机物。这些难降解有机物大都具有显性的或潜在的毒性，对人体危害很大，且 无法采用常规生化法或物化法达到有效去除。此类污染物一旦进入水体环境中， 在任何自然条件下都不能以足够快的速度得到有效降解而易造成在环境中的积 累。其主要种类包括：合成染料、多氯联苯、多环芳烃类化合物、杂环类化合物、 有机氰化物、合成农药等。 由于这些有机化合物具有毒性大、“三致效应”，在环境中停留时间长，对人 体危害大，一般微生物方法很难将其降解等特点，治理难度很大。传统的水处理 技术对含有此类污染物的工业污水的处理效果不稳定，出水很难达到行业排放标 准。为此广大环保工作者在探寻高效、经济处理此类废水的研究方面进行了各种 尝试，提出了许多处理方法。在诸多处理方法中，化学氧化处理技术被认为极具 应用前景陋 4 】。 化学氧化处理技术又称深度氧化技术是指依靠化学氧化剂的氧化能力，将水 中呈溶解状态的无机物和有机物氧化为微毒或无毒的物质，或者转化为容易与水 分离的形态，从而达到有效降解废水中有机物的水处理技术晴3 。具有高效、彻底、 适用范围广等优点。目前常用的化学氧化法根掘氧化剂的种类分为：臭氧氧化、 f e n t o n 氧化、氯氧化、二氧化氯氧化、光催化氧化、湿气氧化法等【6 1 。 臭氧具有极强的氧化能力，它在水中的氧化还原电位为2 0 7 e v ，氧化性仅 次于氟。用臭氧处理废水的方法叫臭氧氧化法，属于化学氧化法的一种。在国外， 臭氧已经作为饮用水的消毒剂得到广泛的应用，它能快速有效地杀死水中的细菌 和病毒，去除水中的异味。臭氧还被用来处理工业废水，臭氧能有效的除去水中 的许多有机和无机污染物，降低水的b o d 和c o d ，并对脱色、除臭、杀菌有显著 的效果h 、9 3 。臭氧氧化法和生化法、活性炭吸附等方法比较起来有许多优点，它 江苏大学硕士学位论文 的氧化能力强，净化效果好，它可以在较短的时间内使废水中的污染物降低到允 许排放浓度，还能消除废水中致癌性的卤代有机物前体，将污染物降解为毒性小 或无害的物质n0 1 。臭氧可将有害物质氧化为二氧化碳、水或矿物盐，自身又极易 分解为氧气，不会对环境造成二次污染，被成为“理想的绿色强氧化药剂 j 羽。 因此，和其它化学氧化技术相比，臭氧凭借其氧化能力强、反应速度快、不产生 污泥、无二次污染等独特的优势成为了化学氧化技术的重要分支，得到了更为广 泛的应用。 国内外在臭氧用于处理饮用水和废水的研究一直非常活跃，经过1 0 0 多年的 发展，臭氧已深入到社会各个领域，如水处理、工业、农业、医疗卫生事业、食 品工业，极大地促进了社会和经济的发展1 1 3 。5 1 。应用也从臭氧单独氧化发展到 高级氧化处理过程，这些技术作用机理，主要是加快了臭氧氧化反应的速率。然 而，在任何水处理过程中，臭氧同水的接触反应都是臭氧水处理工艺的核心。多 数的臭氧吸收过程是由臭氧分子在水中的扩散过程控制或者扩散和反应同时控 制的过程。然而臭氧属于略溶于水的气体，在水中的溶解度不高，同时臭氧发生 器所产生的臭氧质量浓度( 气相分压) 也比较低，实际做到臭氧的高效传质，达到 较高的水中溶解的臭氧质量浓度是比较困难的1 1 6 】。因此臭氧向水中的传质过程成 为了直接影响水处理效果的好坏以及经济指标。 此外，臭氧水溶液可产生氧化能力极强的羟基自由基，比臭氧气体具有更强 的氧化能力和杀菌消毒能力。高浓度臭氧水( 4 9 m 3 ) 可以作为一种药剂，以 1 ：1 0 左右比例加入水中，用于食品工业、饮料工业、医药卫生等部门的加工设 备、容器、管道的消毒杀菌，同时又可用于水的深度处理，医院的医疗器件、病 房、手术器械等杀菌灭活病毒等n7 1 。因而对高质量浓度的臭氧水的需求大幅增加。 近些年来由于气体放电学、材料学、电子学、高电压工程学、等离子体物理、 等离子体化学等相关学科的快速发展，臭氧产生理论有了突破性的进展，臭氧产 生技术得到了前所未有的发展。臭氧浓度从2 0 9 m 3 ，提高至u 2 0 0 9 m 3 ，臭氧产生效 率从2 5 9 k w h 提高到l o o g k w h 8 “钔。高浓度臭氧产生技术和装置的完善，为高浓 度臭氧水的产生打下了良好的基础。因此，如何强化臭氧气液相间传质，提高臭 氧的利用率，成为国内外科学工作者关注的研究课题。 针对当前因臭氧和水的接触反应不够充分、臭氧气体的利用效率不高、水中 2 江苏大学硕士学位论文 溶解的臭氧浓度偏低等方面，制约其在工程实际中广泛应用这一现状，本文进行 了电场强化臭氧传质新方法的理论和实验研究，以期促进臭氧技术更进一步的推 广应用。 1 2 国内外研究进展 为了解决工程应用中臭氧和水的接触反应不够充分、臭氧气体的利用效率不 高、水中溶解的臭氧浓度偏低等问题，国内外科学工作者研究探索了很多强化臭 氧传质的措施啪1 。这些措施主要包括：( 1 ) 提高气相中臭氧的分压，( 2 ) 提高气 相臭氧质量浓度，( 3 ) 降低溶解液体温度，( 4 ) 扩大气液接触面积。其中( 1 ) 、 ( 2 ) 两个措施要从臭氧发生器的优化设计等方面解决，( 3 ) 降低溶解液体温度 在实际应用中受到很大限制，目前主要方向是如何扩大气液接触面积来提高臭氧 在水中的溶解效率。这些措施在实际应用中主要分为三类：机械方式强化传质、 电场强化传质以及超声强化传质。 1 2 1 机械方式强化传质 机械方式强化传质的措施主要包括：增加反应容器内的压力，喷林塔内选用 粒径小、比表面积较大的填料，采用深u 型管混合法，采用涡轮负吸法、提高射 流管道混合器的喷射压力，鼓泡塔中利用机械叶轮剪切搅拌等，这些措施基本沿 用化工领域中常用的加强气液混合反应的手段。 在国外：8 0 年代l y o n n a i s e1 2 1 】小组发明了深u 型管混合器，k a t 采用该种装 置的实验表明，当臭氧水浓度低于0 4 m g l 时，臭氧的传质效率可达到9 0 以上。 1 9 9 0 年日本东京大学增 千1 闪一教授制成臭氧净水灭菌器，是家用消毒灭菌器， 产量d , ( 5 0 0 l h ) ，浓度低( o 4 m g m 3 ) ，是国际首例商业化臭氧水设备。1 9 9 6 年 h f u m i o l 2 2 1 研制了高浓度臭氧水制造机，处理水量为3 m 3 h ，在水温1 5 。c 时， 臭氧水浓度达到6 m g l 。1 9 9 9 年f a r i n e s i 2 3 】等人采用充填粒径小于5m m 硅球的 反应罐( q 6 5 c m 5 0 c m1 进行臭氧溶于水的研究，被处理水的流速仅为0 0 0 0 4 m s 。 气液比v g l 为0 1 6 7 时，水溶液臭氧平衡浓度达到5 m g l ，有效臭氧溶解效率 仅达到3 0 ；气液比为1 时，水溶液臭氧平衡浓度达到1 9 m g l ，有效臭氧溶解 效率仅达到1 9 。1 9 9 9 年m i c h e lm e y e r l 2 4 l 等人作了臭氧的传质效率及其溶解效 率研究。采用射流器+ 喷嘴支流注射臭氧气体方法，在水的流速为0 9 m s 时，传 3 江苏大学硕士学位论文 质效率m t e 达到了9 3 左右，当臭氧浓度为1 2 8 9 m 3 ，v g l 为0 0 3 8 时，水溶 液臭氧浓度达到4 8 m g l ，其有效溶解效率达到7 5 。 m i c h e lm e y e r 等人的研 究成果具有很大实用意义。 在国内：由于各种传统气液混合装置各有优缺点，为了尽量提高臭氧溶解效 率，得到较高浓度的臭氧水，同时又满足实际生产的需求，往往需要对传统气液 混合装置优化组合使用。在传统混合装置的组合使用方面，大连海事大学宗旭， 杨波，白希尧等【2 s 之9 】做了很多有益的研究并取得了丰硕的成果。他们采用优化 组合使用文丘罩射流器、涡轮泵、气液溶解分离器等气液混合装置，将臭氧气体 高效溶解在水中，制取了高浓度臭氧水溶液，实现了设备的小型化。解决了传统 臭氧水浓度较低，臭氧有效溶解效率低，臭氧、臭氧水产生设备体积庞大，占地 面积大，投资大，运行处理费用较高等问题。得到如下结论：采用文丘罩和气液 溶解分离器的组合溶解方式可有效的将臭氧溶解在水中，臭氧的传质效率最高达 到9 9 ，有效溶解效率达到7 2 ，产生的臭氧水浓度最高可达9 3 5 9 m 3 。通过增 加系统压力，增大臭氧的分压，可提高臭氧的有效溶解效率；在臭氧量不变的条 件下，通过增大水流量使臭氧水的浓度降低，但可提高臭氧的有效溶解效率；降 低臭氧气体和水的气液比，可提高臭氧的有效溶解效率；采用气液溶解分离器实 现了臭氧的二次溶解，因此可提高臭氧的有效溶解效率；在相同的操作条件下， 采用文丘罩溶解臭氧比采用涡轮泵溶解臭氧的效果更好；臭氧在水中溶解1 秒左 右时，其传质效率已经达到了9 8 ； 此外，初里冰，邢新会，于安峰，等l 删采用r 本k y o w a 工程公司生产的微米 气泡发生器获得了微米级臭氧气泡( 平均粒径约为5 8 t m ) 。该微米气泡发生系统 由回旋加速器、回流水泵和喷射器组成，采用白吸供气。回流水经过加压后在回 旋加速器内呈旋转状态，吸入的气体在扰动非常剧烈的情况下与加压回流水在回 旋加速器内混合、溶解。这时气体在回旋加速器内以两种形式存在，溶解在水中 或是微细气泡以游离状态央裹、混合在水中。最后，气液混合物以较高的速度由 分散器射流排出，形成微米级气泡。经研究发现：与普通的鼓泡系统相比，采用 微米气泡不仅可以提高臭氧在水中的传质速度，从而提高臭氧的利用率，还可以 江苏大学硕士学位论文 的试验结果表明，染料在微米气泡系统中的脱色速率和矿化率均高于鼓泡系统； 在同样的脱色速率下，微米气泡系统中染料的t o c 去除率大于鼓泡系统。 1 2 2 电场强化传质 1 9 7 7 年z a k y 和n o s s i e r ”首次报道了在注射器针头上施加电压，并在其上 方布置一接地极。在针板之间形成的电场的诱导作用下可以使得大气泡分散成很 多微细气泡，并向绝缘油、正庚烷等传质介质扩散这现象。而且随着施加电压 的增加，所产生气泡的直径明显减小。1 9 7 9 年0 9 a t a 口2 3 等人对这一现象做了进一 步的研究，他们以环己烷，乙醇和蒸馏水作为传质介质，考察了直流电源和交流 电源对气泡分散结果的不同。研究发现：和直流电源作用下产生的气泡相比，交 流电场得到的气泡粒径分布更均匀。1 9 7 9 年s a t o 口叫和他的合作者提出了一种产 生微细气泡的类似方法。利用静电喷雾的方法将空气喷入去离子水中也得到了直 径为5 0 微米左右的微细气泡。1 9 8 0 年s a t o 阿1 详细研究了在接地极采用环状电极、 毛细钢管上施加脉冲电场时，所产生微细气泡的粒径分布情况。结果发现：当旌 加电压为3 0 0 0 v 时，气泡直径从不加电场时的2m m 减小至8 5 坍。s a t o 概述了 各种气泡破碎状态发生的实验条件，气泡破碎状态依赖于外加电压，随着电压的 升高，开始时气泡以单泡的形式周期性出现，然后到分散的微细气泡，再到更高 电压下出现击穿现象及少量的大气泡出现。s a t o 认为气泡尺寸减小现象的出现 可能有两个原因：电流体动力学产生的液体微流动和气液接触面表面张力的减 小。0 9 a t a 等副进一步集中研究了在直流电场作用下气泡在非极性的液体如乙醇、 苯胺、氯苯、环乙烷和煤油等中出现的气泡破碎现象。结果发现：在煤油和环乙 烷等低传导率液体中，电场破裂气泡的能源效率是使用机械方法产生同等粒径的 气泡能源效率的1 0 4 倍。与在高介电常数液体如乙醇中电场破裂气泡的能源效率 相比，在低传导质下的能源效率是前者的五倍。 s a t o 等。州把电场破碎气泡液滴的方法应用到液一液喷雾系统中。研究结果 表明：在针板电场的作用下，有机液体如煤油、四氯化碳和蓖麻油等可以微细液 滴的形式喷入去离子水中( 电导率为2 2 s c m ) 。这些微细液滴的粒径在5l u m 左右而且粒径分布均匀。他们认为电场作用下的连续相电流体动力学是解释上述 现象的一种可行机制。1 9 9 4 年t s o u r i s 刀等进一步研究了电场破碎液滴在液一 江苏大学硕士学位论文 液喷雾系统中的应用。得出了一个关于液滴分散机制的很合理的解释。电场破碎 液滴的方法很好的展示了它与其他喷洒方式不同的地方在于它是特殊形式的静 电喷雾。基础实验采用的高速成像技术说明了电场破碎液滴方法的关键就是维持 液一液接触面上的电场力。1 9 9 5 年t s o u n s l 3 8 。9 】等人对一些可控制变量对电场破 碎气泡的影响进行了进一步的研究，这些可控制变量包括：喷洒液体的喷头的三 维模型、液体的流量以及液体的导电性。他们证实了电场破碎液滴的过程中所产 生的电流体动力学现象是由于的微细液滴的涡流运动形成的。v a nh e e s c h 等【删 证明了具有脉冲前沿陡峭、脉冲宽度窄优点的纳秒级高压脉冲电源可以将电场破 碎气泡液滴应用于高导电性的液体中。他们的研究表明：这种电源可以将氮气 泡溶解到去离子水( 导电性，3 s c m ) 和自来水( 导电性，3 0 0 肛s c m ) e e 。据报 道自来水的导电性接近于电场破碎气泡能量供给能力的上限。 1 2 3 超声场强化传质 经研究发现超声的声空化作用能够破碎气泡，改善传质效果。段丽杰h 门等采 用甲基橙溶液模拟染料废水，在不同实验条件下研究了超声臭氧体系对甲基橙 的脱色效果，通过超声臭氧体系对甲基橙的脱色研究发现：超声对于臭氧氧化 甲基橙脱色具有显著的强化效应，脱色过程符合表观拟一级反应；在研究超声 臭氧氧化甲基橙脱色的基础上，确定快速反应区域和瞬时反应区域的反应条件， 提供了一种确定臭氧吸收反应体系的反应速率常数和传质系数的方法，并进一步 验证了超声对于臭氧传质的强化作用，同时考察了超声功率和臭氧气体流量对于 其传质的影响。结果表明，超声功率和气流量的增大提高了臭氧传质速率。徐文 献等刃以对硝基苯酚为模拟污染物，超声波强化臭氧氧化技术对其处理，发现 u s o 。体系存在明显的协同效应，其增强因子f 在1 5 0 n1 9 7 之间，远大于1 。 胡文容，裴海燕【4 3 1 等研究发现，可以通过超声粉碎作用，增加单位时i i j j 内的臭氧 浓度，超声空化效应产生高能条件，促使空化泡中的臭氧直接快速的分解，产生 自由基，超声空化效应促使臭氧分解产生氧化性强的h ：0 ：。h e l f r e d n 钔等研究发 现超声波可将含o 。的气泡粉碎成“微气泡”，其直径可达2 0 一- - 3 0 m 而一般从曝 气头释放出的气泡直径为0 5 一1 0 c m ，“微气泡”总表面积比一般气泡高1 0 3 - - - 1 0 4 0 倍，结果使o 。与水接触面积骤增。t e r s e r e h 引等的研究结果表明：当外加功 江苏大学硕士学位论文 率为5 4 w 超声时，0 3 溶于水的传质速率常数k l a 提高了5 7 。 1 2 4 研究趋势 由于机械强化传质方法的能耗费用较大，难以在本来运行费用就高的臭氧 水处理工艺中大规模使用。有关电场和物质相互作用、化工传质的有关理论和实 验研究指出：在改善气液相问传质方面，和机械的方法相比，电强化的方法具有 一些特殊的优点，可以在气液混合系统中产生更细小的气泡或液滴并且比机械的 方法节省能量，使得该技术在强化传质方面有着良好的应用前景。根据以上综述， 总结以下几点研究趋势： 1 ) 对于具有脉冲前沿陡峭、脉冲宽度窄等优点的纳秒级高压脉冲电源的研制， 以达到强电场和节能的目的。 2 ) 按功耗低、传质效率高、安全可靠、便于维护的标准，对气液混合装置的设 计。 3 )以扩大气液接触面积，增大相问传质速率为目的，利用电场破碎气泡的方法 产生超微细气泡，促使气体有效地溶解于水中。研究非均匀电场中超微细气 泡的形成机理、运动过程以及液相流体动力学的影响，建立臭氧气体快速溶 解、混合的动力学模型，以指导该技术的实际应用。 4 ) 将电场强化臭氧传质的方法应用到环境污染治理领域如降解苯酚废水、染料 废水等有机废水的处理。 5 ) 电场下，气液系统的物理化学性质( 水的表面张力、粘度以及系统的吉布斯 自由能等) 的变化对传质系数的影响。 1 3 课题研究内容和技术路线 1 3 1 研究思路 如前所述，臭氧、臭氧水溶液以其独特的优势应用于社会各个领域，具有良 好的发展前景、巨大的市场潜力。臭氧技术在国内外有百余年的工程实践历史和 二、三十年的产业化发展，己经