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《复旦大学》 2011年
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内置式微波无极紫外灯处理气态污染物的研究

孙晓  
【摘要】:近几年来,微波无极紫外灯作为一种新型UV光源逐渐被发展起来。利用微波无极紫外灯作为紫外光源降解污染物已成为近年来的研究热点,目前已有数十篇该方面研究报道,但大部分是涉及水相污染物,用于气态污染物的报道极少。本人所属课题组在国际上最先采用微波无极紫外灯装置处理气态污染物,采取的是无极灯外置式结构。但由于腔外的无极灯得不到充分激发,该构造存在降解率不高等缺陷。因此,本研究研制了新型无极灯内置式结构来克服无极灯外置式的弊端,并用于处理气态污染物。 本研究以无极灯内置式谐振反应区构造的优化过程来展开,采用硫化氢、CS2、乙酸乙酯等气态污染物作为降解对象,最终研制了新型对流型内置式微波无极紫外灯废气处理装置,实现了无极灯完全内置于微波谐振腔内高效处理流动态气相污染物,并在一定程度内缓解了无极碘灯热效应造成的负面影响,大大提高了各种气态污染物的处理效率和能量利用效率。本研究主要开展了下列创新性工作: (1)微波无极紫外灯的参数优化:在初步分析微波无极汞灯、微波无极碘灯、微波无极溴灯和微波无极硒灯四种无极紫外灯的工作性能基础上,选择了微波无极碘灯做了进一步的深化研究,具体研究内容包括缓冲物质的种类研究、发光物质和缓冲物质的配比研究等。 (2)简单内置式微波无极碘灯:研制了简单内置式微波无极紫外灯气体处理装置,并进行了降解低浓度乙酸丁酯废气的实验研究。在停留时间13.3s、进气浓度1.5mg/m3的条件下,乙酸丁酯的降解率可达78%以上;但停留时间延长为3.3s,降解率降为47%,废气处理所需的停留时间过长。此外,通过实验,发现简单内置式微波无极气体处理装置存在谐振腔易腐蚀、单位能耗偏大等缺陷。因此,在后续实验中,对简单内置式的谐振反应区构造进行进行了优化。 (3)石英内置式微波无极汞灯:研制了新型石英内置式微波无极紫外灯气体处理装置,并进行了降解H2S气体的实验研究。实验表明,将微波无极汞灯完全置于谐振腔内降解H2S气体,与外置式微波无极汞灯相比,降解率提高了13个百分点,且能量利用效率也得到进一步提高。在气体停留时间为1.5s条件下,当H2S进气浓度为7.9mg/m3时,降解率为91%,能率为58.2mg/kWh;当H2S进气浓度增加到24.6mg/m3时,降解率为57%,能率为115.6mg/kWh。 (4)石英内置式微波无极碘灯:采用石英内置式微波无极碘灯(充碘量为5.3mg/L)降解H2S,降解率基本低于50%,低于同等条件下微波无极汞灯的处理效果。在H2S停留时间1.8s的条件下,进气浓度7.3mg/m3时,降解率为64%;进气浓度57.5mg/m3时,降解率为21%。其原因可能是充碘量较少,提供的光子量不足;而且无极碘灯的发热效应可能影响了H2S的降解。在采用充碘量为21.2mg/L的石英内置式微波无极碘灯进行实验时,甚至发现无极碘灯因过热导致熄灭的问题频繁出现。因此,后续对微波无极碘灯的发热效应进行了专题研究。 (5)微波无极碘灯发热效应和谐振反应区构造优化:通过谐振反应区构造优化和降解H2S的实验研究,研究了石英内置式微波无极碘灯发热效应的相关规律,在控制灯管温度和提高降解率等方面给出了有力的基础数据。实验得到下列主要结论:1)延长谐振腔的长度,将无极灯外置有利,将反应区管道由平放调整为竖直放置,都将有利于散热。2)微波无极碘灯激发放电时产生大量的热使灯管温度升高,进而可影响微波无极碘灯对H2S的降解率。3)微波无极碘灯在谐振腔内位于不同位置,发热量有所差别。例如,无极碘灯的一端置于谐振腔外9 cm被激发放电时,与完全置于谐振腔内部相比,灯管温度降低了约10℃,同时光解H2S的效率明显提高。4)光解H2S放出的反应热对灯管温度有一定的影响。H2S进气浓度为16.8 mg/m3时,灯管温度比无H2S时升高了约12.4℃进气浓度升高到56.7 mg/m3时,温度差提高到17.5℃。但是和实验过程中总的温升相比,该反应热的影响并不显著。 (6)对流内置式微波无极碘灯:研制了内部气体可循环的内对流无极碘灯和对流内置式谐振反应区构造,避免了散热慢引发的灯管熄灭问题,同时提高了气体处理能力。将谐振腔竖直放置可以利用重力引发灯管内部I2分子和Kr分子的分子间运动,促进灯管的进一步激发,也可提高灯管降解废气的能力。 采用新型对流内置式微波无极碘灯装置处理H2S,在当气体停留时间为1.2s,输入功率为200W,H2S进气浓度为9.7mg/m3时,H2S的降解率可以达到71%。相较于外置式和石英内置式的微波无极碘灯,在降解效率和能量利用效率上都有显著提高:与前述石英内置式微波无极汞灯降解H2S的实验结果相比,在避免了微波无极汞灯的二次污染的同时,得到相差不多的降解效率 采用新型对流内置式微波无极碘灯装置处理CS2实验,结果表明,当CS2停留时间为1.2s,输入功率为200W,进气浓度为148.0mg/m3时,其降解率可以达到96%。与前述外置式微波无极汞灯(碘灯)降解CS2的实验结果相比,在降解效率和能量利用效率上都有显著提高。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X511

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