光催化流体动力学及降解草酸钠的数值模拟
随着国内外环境问题的日益突出，环境污染问题需要亟待解决。利用各种手段有效治理环境污染引起了世界各国的重视。半导体光催化技术因具有反应条件温和、无二次污染、节能省电等优点，其最大优点是因可降解难降解有机污染物而受到广泛关注。其中TiO2因价廉、无毒、化学稳定性强，其光催化氧化技术得到迅速发展。但是光催化降解有机污染物技术的广泛应用还需要解决两个技术难题:一是提高光催化剂的效率;二是光催化反应器的运行状况优化与开发。本论文的研究焦点是后一个问题。 光催化反应器是一种气液固多相物质及光辐射的复杂反应器，我们可以称之为四相反应器，气相物质一般是氧气或空气，其作用是消灭电子-空穴对中的电子，这是必不可少的;液相物质一般是水，其中包含有机污染物，提供了反应物;固相物质是催化剂(TiO2);光辐射提供反应需要的能量。光催化反应器需要协调四相物质与能量的关系，使其达到量子效率利用率最高、传质和反应速率最快。依据多相流模拟结果，知道反应器内各相物质的分布和速度矢量图，可以得到反应液的雷诺数小于小于临界值，反应液属于层流状态，对环形区域轴向速度的模拟值与层流的理论值进行对比，其相近程度很高。 光催化技术的商业化应用到目前为止依然停滞不前，其中主要原因是缺乏有物理基础的数学模型。本论文采用局部体积能量吸收率的概念，根据光激活反应速率与局部体积能量吸收率的线性关系，反应速率方程得到简化，采用UDF对总反应速率方程和边界条件进行编程，利用流体力学软件FLUENT对环状狭缝悬浮TiO2颗粒反应器降解草酸钠进行计算机数值模拟。模拟结果与V.K.Pareek的实验数据进行对比验证，在此基础上，对没有实验数据的水力停留时间为105 min和120 min的草酸钠的光催化降解效果进行了预测。得出的以下主要结论: (1)本文引入局部体积能量吸收率的概念，在不同催化剂浓度和不同水力停留时间下，模拟结果与实验数据具有很好的吻合。 (2)对不同水力停留时间下降解草酸钠的数值模拟，确定了最佳水力停留时间为90 min，对应的草酸钠最大去除负荷为0.0669kg/(m3·min)。 (3)在各种不同水力停留时间下，最佳催化剂浓度为1.0 g/L。
光催化反应器;草酸钠;降解处理;数值模拟;流体动力学
北京交通大学
硕士
环境科学与工程
赵宗升
2014
中文
X505
105
2014-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）