文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
新型脉冲电源研制及其处理六氯苯废水的研究
姓名:胡胜
申请学位级别:博士
专业:环境工程
指导教师:何正浩;李胜利
2011-05-23
华中科技大学博士学位论文
摘要
近几十年来,高级氧化技术在处理难生物降解的有机污染废水方面取得了迅速
的发展。脉冲放电等离子体水处理技术几乎是各种高级氧化技术的天然组合,具有广
泛的应用前景。但放电等离子体技术在大规模应用中存在包括电源不能长期稳定运
行、处理时间长且成本高和降解机理还不完全清楚等问题,影响了该技术的产业化。
因此本文针对这些问题对放电等离子体技术进行了研究。主要研究内容和结论如下:
(1)基于磁压缩和SOS效应原理,设计了一种新型无间隙纳秒级脉冲电源。通
过pspice电路仿真分析和实验研究,着重探讨了关键参数对输出电压的影响。研究结
果表明:电源在前级饱和变压器PT1匝数为1:20,磁压缩电感MS匝数为13,后级升
压饱和变压器PT2匝数为2:10时能获得较高的输出电压峰值,负载为50Ω时,脉冲电
压峰值-51kV,脉宽120ns,峰值前沿60 ns。
(2)探讨了电源和反应器之间的匹配,以利于提高电源能量利用效率。根据将
反应器整体看成是一级电容的匹配思路,设计出了一级磁压缩电路和二级磁压缩电
路与反应器进行匹配。从实验结果可以看出,设计出的电路对大型反应器的效果非
常好,一级磁压缩电路在MS1匝数为35匝时负载峰值电压可以达到28kV,二级磁压
缩电路在MS1匝数为33时得到负载的最高峰值电压30kV。
(3)过氧化氢是放电所产生的活性物质中最稳定的。研究发现在放电时间90min
内,随着时间的增加,过氧化氢的浓度成线性增加,曝气可极大提升过氧化氢的生
成量。在峰值电压35kV、频率30Hz、电极间距为2cm、曝气()和不曝气的情
况下过氧化氢的生成速率常数,×10-8mol/×10-9mol/s,其过氧化氢
×10-11mol/×10-11mol/J;过氧化氢的浓度随着电压和气流
量的升高也随之增加,添加适量TiO2可促进过氧化氢的产生,但TiO2量过多反而比不
投加TiO2所产生的过氧化氢浓度要小;通过正交实验结果分析,在各种影响因素中,
电压最重要,放电时间次之,而气流量最后。
(4)探讨了采用高效液相色谱检测水杨酸羟基化产物,来测定放电等离子体产
I
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生的羟基自由基浓度。实验中发现,水杨酸的浓度为200mg/L时具有较好的捕捉效率,
而且水杨酸羟基化产物所占的百分含量大致保持不变,其中2,5-二羟基苯甲酸约为
70%,2,3-二羟基苯甲酸约为30%。通过计算实验值的相对标准偏差,说明采用羟基
化产物定量检测羟基自由基浓度的重复性较好。在放电时间60min内,随着放电时间
的增加,羟基自由基的浓度均呈线性增加,而且随着电压的升高,羟基自由基的浓
度也增加。通过计算可知在不曝气的条件下,在放电电压为30、35和40kV时,kOH · 分
-10
、 ×10 mol/s;在曝气的条件下,在放电电压为30、35和40kV时,kOH ·
、×10-10mol/s;在相同的放电条件下,曝气比不曝气的羟基自
由基的浓度会高很多,而且曝气时的能量效率比单独放电要高很多。在单独放电时
羟基自由基能量效率并不随输入能量大小的变化而变化,平均值约为
×10-12mol/J;放电且曝气时,羟基自由基能量效率随输入能量的增加而有所减小。
(5)采用针板反应器,对新型纳秒级脉冲电源处理水中六氯苯的效果进行了研
究。实验结果表明,放电等离子体降解六氯苯的反应符合准一级动力学关系,而且
在曝气条件下比不曝气六氯苯去除率有较大的增加;电压的变化对六氯苯的去除率
有很大的影响,随着电压从 20kV 升高到 40kV,放电 90min后六氯苯的去除率从 %
提高到 %;六氯苯的能量效率随着放电时间的增加而降低,曝气条件下,六氯苯
去除的能量效率从 15min 时的 ×10-12mol/J 下降到 90min 时的 ×10-12mol/J;而
不曝气条件下的六氯苯去除的能量效率从 15min 时的 ×10-12mol/J 下降到 90min
时的 ×10-12mol/J。
(6)在对活性成分产生和六氯苯降解研究的基础上,通过对液相放电中化学反
应过程的分析,建立了降解六氯苯的动力学模型,通过反应器中各物质的物料平衡