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《中国矿业大学》 2009年
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填充床电化学反应器的基础研究

王立章  
【摘要】: 填充床电化学技术是有效治理高盐分、高有机物浓度和高色度化工废水的可行途径;然而,反映床层流固耦合特征和有效预测有机污染物浓度变化规律模型的匮乏成为制约该工艺推广应用的主要瓶颈。本研究即以填充床电化学反应器为研究对象,着重描述动态运转条件下床层各点污染物浓度、电势、电流及反应速率的分布规律,以期为反应器工程设计提供合理的理论依据;同时,基于理论分析、数学建模、实验室实验和工程验证等手段主要获得如下成果: (1)提出了“复相控制”的新概念用于描述阳极处于扩散控制而粒子电极处于反应控制状态的过渡反应步骤,完善了填充床电化学反应器氧化有机物的反应历程。 (2)基于法拉第定律,得出了适合于描述填充床电化学反应器电流效率的表达式;理论数值与实验数据具有较高的相关性。 (3)基于床层反应控制、复相控制和扩散控制状态的综合表征,提出了电化学反应器氧化有机物的“阶段反应理论”。该理论利用极限电流密度与操作电流密度之间的关系界定有机物氧化反应控制步骤,探究各种控制步骤下的动力学特征,揭示有机物反应进程与操作条件、反应介质物化属性以及反应器构型之间的定量函数关系,为床层各点有机物浓度的分布规律预测提供了完整、充分而精确的理论依据。 (4)建立了反应器通用能量模型。能够根据与废水性质相联系的特征参数K1、K2的数值得出最佳极板间距;也能够用于描述反应控制、复相控制以及扩散控制状态下的有机物氧化动力学行为。该模型结合“阶段反应理论”能够精确指导实际工程设计。 (5)引入Poisson方程并结合“阶段反应理论”能够完整的对床层各点电势进行有效预测;实际工业废水的小试实验数据表明,理论数据与实测数值具有较高的相关性,床层电势、超电势、电流和反应速率具有可预知性;该结论可用于床层反应参数的优化与运营管理。 (6)采用淀粉废水、助剂废水、DSD酸还原和氧化工段废水为实验对象,所得数据能够在床层浓度分布规律、电流效率和能耗方面与“阶段反应理论”预测数据一致;同时,应用“阶段反应理论”和通用能量模型用于甘氨酸生产废水处理设备的工程放大设计取得了与理论预测大致相同的出水效果。这均表明,本研究所建立的模式可作为填充床电化学反应器设计体系建立的基础。 通过本研究不仅仅验证了填充床电化学反应器处理废水的广谱性,它能够作为常规废水的预处理措施提高可生化性,亦能作为高盐废水的终处理措施;结果表明,本工艺用于高盐废水处理更具竞争性。同时,理论的建立也为该工艺的普及、精确设计、操作管理、优化运行等提供了极大可能性。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:X703.1

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【引证文献】
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