天津工業(yè)大學(xué)研究生答辯PPT模板

電催化膜反應(yīng)器處理含油廢水過(guò)程中參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)研究研究生:張秀偉導(dǎo)師:李建新教授王虹博士天津工業(yè)大學(xué)2009級(jí)研究生畢業(yè)答辯Contents

研究背景1研究目的與內(nèi)容2

結(jié)果與討論3

結(jié)論4研究背景

含油廢水是指一類含有脂(如脂肪酸、皂類、脂肪和蠟等)及各種油類(如礦物油和動(dòng)植物油等)的廢水。

石油工業(yè)固體燃料熱加工工業(yè)機(jī)械制造加工業(yè)運(yùn)輸工業(yè)餐飲業(yè)、紡織工業(yè)等含油廢水含油廢水中存在著硫化物、有機(jī)酚、氰、細(xì)菌、固體顆粒和破乳劑、絮凝劑和殺菌劑等化學(xué)藥劑，甚至還含如砷、鉻等對(duì)人體有毒的元素，如果直接排放造成嚴(yán)重的環(huán)境污染全球性難題：含油廢水治理的迫切性因此，含油污水處理和再利用已經(jīng)成為減少環(huán)境污染，保障油田可持續(xù)開(kāi)發(fā)，提高油田經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要課題

石油開(kāi)發(fā)工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)項(xiàng)目第一級(jí)第二級(jí)ⅠⅡⅠⅡ1pH值6-96-96-96-92石油類101030303懸浮物1001002005004揮發(fā)性酚0.50.5115硫化物11156化學(xué)需氧量100100100100表1石油開(kāi)發(fā)工業(yè)水污染物最高容許排放濃度(單位：mg/L）注：1.1標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)第一級(jí)指所有新建、擴(kuò)建、改建企業(yè);第二級(jí)指所有現(xiàn)有企業(yè)。

1.2標(biāo)準(zhǔn)分類全國(guó)石油開(kāi)發(fā)企業(yè)分為二類：I油田II氣田,高含鹽油田。物理法化學(xué)法物理化學(xué)法生物法常用的含油廢水處理方法方法缺點(diǎn)重力法占地面積大粗粒化法濾料易堵，存在表面活性劑時(shí)效果差膜分離法膜污染嚴(yán)重，膜清洗困難費(fèi)用高方法缺點(diǎn)化學(xué)絮凝法占地面積大，藥劑用量多污泥難處理化學(xué)氧化法設(shè)備投資高，操作費(fèi)用高電化學(xué)法能耗高方法缺點(diǎn)

氣浮法占地面積大浮油難處理

吸附法吸附劑再生困難，投資較高方法缺點(diǎn)活性污泥進(jìn)水要求操作費(fèi)用高生物濾池基建費(fèi)用高發(fā)展趨勢(shì)：多級(jí)處理—集成技術(shù)膜分離技術(shù)電催化氧化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)高效無(wú)須加化學(xué)藥劑，無(wú)二次污染自動(dòng)化程度高、占地面積小等可將廢水中的有機(jī)物降解更徹底，不易產(chǎn)生有毒中間產(chǎn)物、無(wú)須后續(xù)處理等存在問(wèn)題傳統(tǒng)膜分離僅具有簡(jiǎn)單的過(guò)濾功能，膜污染嚴(yán)重，致使過(guò)濾效率、穩(wěn)定性降低、膜使用壽命縮短

膜污染是膜分離過(guò)程無(wú)法解決的難題，已成為制約膜技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，是發(fā)展膜技術(shù)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。受電極材料的限制，電流效率很低，電耗很高等本課題組設(shè)計(jì)『電催化膜』，利用電催化氧化技術(shù)強(qiáng)化膜分離過(guò)程-兩者有機(jī)耦合，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、無(wú)污染的新型水處理過(guò)程設(shè)計(jì)思路：將電催化氧化與膜分離技術(shù)進(jìn)行耦合，制備高抗污染電催化膜材料，實(shí)現(xiàn)膜材料的多功能化以及無(wú)污染操作；電催化膜反應(yīng)器：以具有導(dǎo)電性的微孔炭膜為基膜，負(fù)載納米催化劑（如TiO2）制備電催化膜。以管式電催化膜作為陽(yáng)極，輔助電極為陰極，分別經(jīng)導(dǎo)線與電源相連接，構(gòu)成電催化膜反應(yīng)器（如下圖）；“干凈水”通過(guò)負(fù)壓進(jìn)入管內(nèi)側(cè)，在低電場(chǎng)下電催化膜產(chǎn)生羥基自由基等氧化劑能夠使廢水中難降解的有機(jī)物分解為易生物降解的小分子或CO2和H2O，實(shí)現(xiàn)了該過(guò)程的高效分離，同時(shí)賦予電催化膜自清潔功能，提升膜抗污染能力，實(shí)現(xiàn)膜分離過(guò)程的無(wú)污染操作。電催化膜主要技術(shù)特點(diǎn)1）催化氧化與分離雙功能2）實(shí)現(xiàn)過(guò)程可控氧化

電催化膜在前期工作的基礎(chǔ)上，本課題主要研究目的：探索電催化膜反應(yīng)器處理油水的最優(yōu)條件，具體為考察電極間距、電解質(zhì)濃度、電流密度、停留時(shí)間、料液pH和溫度等參數(shù)對(duì)處理效果（抗污染性能和化學(xué)需氧量去除率）的影響，并找出最優(yōu)條件。根據(jù)各因素對(duì)膜反應(yīng)器性能的影響對(duì)其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，建立電催化膜反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)模型。研究目的考察在不同電極間距、電解質(zhì)濃度、電流密度、停留時(shí)間、料液pH和溫度處理不同濃度的油水時(shí)，膜抗污染性能及處理液化學(xué)需氧量（COD）的變化情況，結(jié)合單因素法和響應(yīng)面法找出最優(yōu)條件，并考察在最優(yōu)條件下電催化膜反應(yīng)器處理不同濃度含油廢水的效果、能耗和催化效率通過(guò)電催化膜反應(yīng)器在最優(yōu)條件下處理液COD隨著停留時(shí)間的變化情況，建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型研究?jī)?nèi)容1穩(wěn)壓電源2導(dǎo)線3陰極4電催化膜5料液槽6真空表7蠕動(dòng)泵8透過(guò)液出口9閥門實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)果與討論第一部分電催化膜反應(yīng)器處理含油廢水過(guò)程中參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在選定油水初始濃度為200mg/L、電解質(zhì)Na2SO4濃度為15g/L、電流密度為0.312mA/cm2

、

pH=6和溫度25℃，停留時(shí)間為3.8min的條件下：分別考察電極間距為20mm、30mm、40mm、50mm、60mm時(shí)膜反應(yīng)器的性能。性能通過(guò)處理溶液過(guò)程中通量隨操作時(shí)間的變化及化學(xué)需氧量（COD）的去除率來(lái)評(píng)價(jià)。一、電極間距的影響：通量的變化處理液COD的變化紫外在選定油水初始濃度為200mg/L、電極間距為40mm、電流密度為0.312mA/cm2

、

pH=6和溫度25℃，停留時(shí)間為3.8min的條件下：分別考察電解質(zhì)濃度為1g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L和30g/L時(shí)膜反應(yīng)器的性能。性能通過(guò)處理溶液過(guò)程中通量隨操作時(shí)間的變化及化學(xué)需氧量（COD）的去除率來(lái)評(píng)價(jià)。二、電解質(zhì)濃度的影響：通量的變化處理液COD的變化紫外三、電流密度的影響在選定油水初始濃度為200mg/L、電極間距為40mm、電解質(zhì)Na2SO4濃度為15g/L

、pH=6和溫度25℃，停留時(shí)間為3.8min的條件下：分別考察電流密度為0.104mA/cm2、0.208mA/cm2、0.312mA/cm2、0.416mA/cm2、0.624mA/cm2時(shí)膜反應(yīng)器的性能。性能通過(guò)處理溶液過(guò)程中通量隨操作時(shí)間的變化及化學(xué)需氧量（COD）的去除率來(lái)評(píng)價(jià)。通量的變化處理液COD的變化紫外四、停留時(shí)間的影響在選定油水初始濃度為200mg/L、電極間距為40mm、電解質(zhì)Na2SO4濃度為15g/L

、電流密度為0.312mA/cm2、

pH=6和溫度25℃的條件下：分別考察停留時(shí)間為0.45min、0.9min、1.8min、2.8min和3.8min時(shí)膜反應(yīng)器的性能。性能通過(guò)處理溶液過(guò)程中通量隨操作時(shí)間的變化及化學(xué)需氧量（COD）的去除率來(lái)評(píng)價(jià)。通量的變化處理液COD的變化紫外在選定油水初始濃度為200mg/L、電極間距為40mm、電解質(zhì)Na2SO4濃度為15g/L、電流密度為0.312mA/cm2和溫度25℃，停留時(shí)間為3.8min的條件下：分別考察pH為3、5、6、7、9和11時(shí)膜反應(yīng)器的性能。性能通過(guò)處理溶液過(guò)程中通量隨操作時(shí)間的變化及化學(xué)需氧量（COD）的去除率來(lái)評(píng)價(jià)。五、pH的影響：通量的變化處理液COD的變化紫外在選定油水初始濃度為200mg/L、電極間距為40mm、電解質(zhì)Na2SO4濃度為15g/L、電流密度為0.312mA/cm2和pH=6，停留時(shí)間為3.8min的條件下：分別考察溫度為0℃、10℃、15℃、20℃25℃、30℃、35℃時(shí)膜反應(yīng)器的性能。性能通過(guò)處理溶液過(guò)程中通量隨操作時(shí)間的變化及化學(xué)需氧量（COD）的去除率來(lái)評(píng)價(jià)。六、溫度的影響：通量的變化處理液COD的變化紫外七、參數(shù)的優(yōu)化及最優(yōu)條件下處理含油廢水的能耗及效率因素水平-101A:電極間距（mm）30.0040.0050.00B:電解質(zhì)濃度（g/L）10.0015.0020.00C:pH5.006.007.00D:溫度(℃)25.0030.0035.00根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)電極間距、電解質(zhì)濃度、pH和溫度四個(gè)因素自變量進(jìn)行4因素3水平優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。利用DesignExpert7.0軟件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)因素水平

獲得了最佳反應(yīng)條件和預(yù)測(cè)結(jié)果如下：在電極間距為43.1mm、電解質(zhì)濃度為14.3g/L、pH為6.3和反應(yīng)溫度為32.5℃，并在電流密度為0.312mA/cm2，停留時(shí)間為3.8min，模型預(yù)測(cè)處理濃度為200mg/L含油廢水時(shí)，溶液COD去除率為98.75%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為97.54%，二者吻合較好回歸模型方差分析

Y=97.56+1.11A-0.85B+3.62C+1.84D+0.25AB+0.91AC-1.03AD-0.46BC-0.34BD-0.13CD-1.43A2-3.71B2-6.50C2-1.70D2

在最佳反應(yīng)條件下，電催化膜反應(yīng)器處理濃度為200mg/L、400mg/L、800mg/L、1200mg/L和2000mg/L，溶液COD去除率、運(yùn)行3h后通量的情況、能耗和催化效率

溶液初始濃度（mg/L）20040080012002000溶液COD去除率97.54%93.32%86.79%83.24%74.57%運(yùn)行3h后通量保持情況95.35%93.14%88.43%83.23%76.68%電催化膜反應(yīng)器能耗（KWh/m3）0.751.302.062.824.05電催化膜反應(yīng)器催化效率（KWh/kg）3.302.982.552.432.30第二部分電催化膜反應(yīng)器處理含油廢水過(guò)程中參數(shù)的動(dòng)力學(xué)研究當(dāng)TiO2/炭膜作為陽(yáng)極被電場(chǎng)激發(fā)時(shí)，吸收足夠能量的二氧化鈦發(fā)生電子躍遷，分別產(chǎn)生價(jià)帶上的空穴和導(dǎo)帶上的電子，如（1）式(1)二氧化鈦表面的電子和空穴可以分別于表面吸附的H2O和O2

結(jié)合生成

OH,O2-,HO2

和

H2O2

等活性自由基，如（2）—（6）式，用于污染物的氧化。（2）（3）（4）（5）（6）理論依據(jù)油水中的有機(jī)污染物將被上述的活性自由基轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2

和H2O，或者易生化降解的小分子物質(zhì)，如式(7)、(8)R+·OHads→CO2+H2O（7）R+·OHads→R′（8）電催化氧化含油廢水降解的動(dòng)力學(xué)方程如（9）表述

（9）降解過(guò)程中產(chǎn)生的活性自由基性質(zhì)非常活潑，壽命很短。當(dāng)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，活性自由基的濃度可以認(rèn)為恒定，將k1與[·OHads]m合并為一項(xiàng)：（10）假設(shè)含油廢水的降解符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即n=1,反應(yīng)速率方程為：

（11）ln(C/C0)=-kt

經(jīng)積分變換，得

在電極間距為43.1mm、電解質(zhì)Na2SO4的濃度為14.3g/L、電流密度為0.312mA/cm2、pH為6.3、溫度為32.5℃，考察含油廢水初始濃度為200mg/L、600mg/L、1000mg/L條件下，電催化膜反應(yīng)器降解含油廢水時(shí)，溶液COD去除率隨著停留時(shí)間的變化情況。

根據(jù)不同油水初始濃度條件下，溶液COD去除率隨停留時(shí)間的變化情況，得到ln(C0/Ct)與時(shí)間t的關(guān)系圖，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)回歸，得到相應(yīng)的關(guān)系式。通過(guò)對(duì)不同油水初始濃度下，lnk與lnC0的曲線進(jìn)行擬合，求出表觀反應(yīng)速率常數(shù)K＇與溶液初始濃度C0的關(guān)系式：

lnK＇=-1.9078lnC0+6.0194

在最優(yōu)參數(shù)條件下，電催化膜反應(yīng)器在降解低濃度含油廢水取得很好