微通道反应器臭氧传质及臭氧氧化降解五氯苯酚（PCP）特性研究

摘要

    利用“T”型微通道反应器研究臭氧传质及臭氧氧化降解五氯苯酚（PCP）特性。通过实验测定不同气液流速下的总体液侧体积传质系数kLα，得到其与无因次数的关联式，确定气液界面面积及液侧传质系数kL；发现PCP与O3反应为瞬时反应，PCP浓度和气相O3浓度影响臭氧通量和传质增强因子；还研究了pH、气液流速、气相O3浓度对PCP降解效率的影响，结果表明微通道反应器在臭氧传质和PCP降解方面性能优异。

 详细总结

1. 研究背景

    - 五氯苯酚（PCP）的危害及处理难题：PCP是一种广泛使用的有机污染物，具有高毒性和难降解性，传统生物处理方法对其降解效果不佳。

    - 臭氧氧化法及微通道反应器的优势：臭氧氧化法作为高级氧化工艺，能有效降解有机污染物，微通道反应器具有高比表面积、高效传质传热等优点，本研究旨在探究其在PCP臭氧氧化中的应用。

2. 实验方法

    - 实验材料：使用去离子水、五氯苯酚、多种分析纯化学试剂，实验前对试剂未进一步纯化。

    - 分析仪器：利用臭氧检测仪、TOC分析仪、pH计等仪器分别测量气态和溶解态臭氧浓度、总有机碳、溶液pH值。

    - 实验装置：采用“T”型微通道反应器，实验分为无PCP时臭氧传质和有PCP时相关研究两部分，实验在连续模式下进行。

3. 实验结果与讨论

    - 臭氧传质特性：在无化学反应时，增大气相流速UG或液相流速UL，总体液侧体积传质系数kLα均增大。根据实验数据得到不同流型下kLα与无因次数ReG、ReL、ScL的关联式，平均绝对相对误差显示关联式准确性较高。通过化学方法测定气液界面面积，发现界面面积随UG增大而增大，受UL影响较小；计算得到的液侧传质系数kL随UG和UL增大而增大，且UL对kL影响更显著。利用傅里叶数评估界面面积有效性，发现较高UG在低UL时会降低界面面积有效性。在有化学反应时，PCP浓度增加使臭氧通量JO3和传质增强因子EO3增大，气相O3浓度增加使JO3增大但EO3减小。通过研究EO3与界面臭氧浓度倒数的关系，确定PCP与O3反应为瞬时反应，并计算出相关参数。

    - PCP降解效率的影响因素：初始pH从6.0增加到10.0时，PCP去除率从20.15%提高到55.61%，继续增加到12.0时，去除率提升不明显，碱性条件有利于PCP降解，但过高pH会积累惰性中间体。气液流速增加时，PCP去除率先增大后减小，可用无量纲数Da*解释该现象。气相O3浓度从0.21mM增加到1.46mM，PCP去除率从24.52%提升到76.28%，过高浓度时去除率提升变缓，因会积累对O3不活泼的中间体。连续臭氧氧化实验表明，该反应为拟一级反应。

4. 研究结论

    - 确定传质系数及关联式：测定不同气液流速下的kLα，提出其与无因次数的关联式，且关联式在实验条件下适用性良好。

    - 明确反应特性及影响因素：确定PCP与O3反应为瞬时反应，主要发生在气液界面；明确pH、气液流速、气相O3浓度对PCP降解效率的影响规律。

    - 证明微通道反应器性能优异：“T”型微通道反应器在臭氧传质和PCP降解方面表现出色，在处理其他有机污染物方面可能具有竞争力。

 关键问题

1. 微通道反应器在臭氧传质和PCP降解方面有哪些优势？

    - 微通道反应器具有极高的比表面积，气液界面面积可达2000 - 50,000m2/m3 ，能显著提高传质效率；在PCP降解实验中，通过改变气液流速等条件，发现其能有效促进臭氧与PCP反应，使PCP去除率明显提高，展现出良好的降解性能。

2. 如何确定PCP与O3的反应属于瞬时反应？

    - 从实验结果来看，一方面，随着PCP浓度增加，臭氧通量JO3和传质增强因子EO3增大，且气相O3浓度增加时EO3减小；另一方面，研究EO3与界面臭氧浓度倒数（CO3,i,L）-1的关系，发现EO3与（CO3,i,L）-1呈线性函数关系，根据相关理论可判断PCP与O3的反应为瞬时反应。

3. 气相O3浓度对PCP降解效率有怎样的影响，为什么会出现这种影响？

    - 影响：气相O3浓度从0.21mM增加到1.46mM时，PCP去除率从24.52%提升到76.28% ，但在1.04 - 1.46mM范围内，PCP去除率提升变缓。

    - 原因：气相O3浓度增加会使微通道内平均传质驱动力增大，更多O3从气相转移到液相，促进PCP降解；然而，过高的气相O3浓度会导致PCP降解产生的一些中间体积累，这些中间体对O3分子不活泼，从而使PCP去除率提升变缓。