基于超声微反应器的染料废水氧化降解关键技术研究

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随着染料工业的发展,染料废水的处理难度不断提高,传统的废水处理工艺已难以满足染料废水的处理需求。基于亚铁离子活化的过硫酸盐高级氧化工艺(Fe2+/SPS)是一种可有效降解染料废水的水处理工艺,由于该工艺过程常在反应死区较多的大型反应器中进行,导致其对染料废水的降解效率仍然较低。与大型反应器相比,微反应器的传质传热速率更快。然而流体在微通道内的混合程度只能通过调节流速实现,不便于灵活操控。将超声技术与微反应器相结合不仅可有效利用微通道强化混合过程,而且可以通过超声波强化染料废水与氧化剂的反应,提高有机物的降解率。本文设计了一种超声透过率高、反应温度可控的新型超声微反应器,将其用于强化Fe2+/SPS工艺氧化降解模拟污染物金橙G。论文的主要研究内容和结论如下:(1)深入分析了微反应器混合机理和超声作用机理。研究了微反应器中流体基本控制方程、微反应器基本特性及混合机理,得出对于结构简单的微反应器,引入外场力的作用是提升混合效率的有效方法;分析了超声的四种基本作用,阐明超声强化传质与反应过程的机理。因此,将超声技术与微反应器结合有助于染料废水的氧化降解。(2)基于Fluent流场仿真结果优化设计了一种新型超声微反应器,并组建了超声微反应器实验系统。采用Fluent软件研究流道结构对流体混合过程的影响,发现矩形波形流道中的流体混合效果比尖角波形流道和半圆波形流道更好;根据染料废水降解需求,将夹心式换能器和毛细管微反应器结合,设计了一种超声透过率高、反应温度可控的超声微反应器实验系统。(3)在静置装置、磁力搅拌装置、毛细管微反应器中开展金橙G降解实验研究,分析了不同反应装置对Fe2+/SPS体系氧化降解金橙G的影响。首先,进行了不同反应体系对金橙G降解率影响的实验和自由基猝灭实验,发现Fe2+可有效活化SPS,生成降解金橙G的硫酸根自由基;然后,以静置装置及磁力搅拌装置为对比,在毛细管微反应器中开展金橙G氧化降解实验研究,结果表明:在硫酸亚铁和金橙G混合液p H为3、硫酸亚铁浓度为1.2 mmol/L、过硫酸钠浓度为2.0 mmol/L的条件下,各反应装置中金橙G降解率均达到最高,且反应时间越短,毛细管微反应器中降解金橙G的优势越明显。(4)以毛细管微反应器为对比,分析了基于超声微反应器的Fe2+/SPS体系氧化降解金橙G的优势。首先研究了不同反应体系对金橙G降解率的影响,发现向微反应器中引入超声可提升Fe2+/SPS体系氧化降解金橙G的效率;然后开展了金橙G降解单因素实验,最佳实验参数组合为:硫酸亚铁和金橙G混合液p H为3、硫酸亚铁浓度为1.2mmol/L、过硫酸钠浓度为2.0 mmol/L、超声功率为400 W。当反应时间为360 s时,超声微反应器中金橙G降解率达到95.39%,比毛细管微反应器的降解率高3.16%。本文设计了一种超声透过率高、反应温度可控的新型超声微反应器,通过理论分析和实验研究验证了其在染料废水降解方面的优势。研究结果可为染料废水氧化降解研究提供新的技术手段,可望在废水处理领域得到推广应用。
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