水射流空化聯合光催化處理難降解有機物的新方法研究

《水射流空化聯合光催化處理難降解有機物的新方法研究》是依託上海交通大學，由王曉寧擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水射流空化聯合光催化處理難降解有機物的新方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王曉寧
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

光催化能有效降解水中的多種有機污染物，但在實際套用中會出現傳質受限、催化劑團聚和失活等問題，大大降低其處理效率。水射流空化是一種無需添加化學試劑、綠色環保的水處理技術，其在環境污染治理方面的研究尚處於起步階段。高速流動的水體在噴嘴內會出現空化現象，即水射流空化。該技術具有無需套用嚴苛的條件就能產生局部的高溫高壓、湍流和微射流能增強溶液傳質、能減少所需試劑的投加量、易實現規模化套用等優點。本項目將水射流空化與光催化技術結合，用微觀影像和聲波檢測的方法，研究水射流產生的空化現象和聲譜特徵，並探索其受實驗條件的影響。通過改變污染物的種類、濃度、溶液的酸鹼性和無機鹽介質，研究光催化材料的表面形態和污染物質的吸附-更新過程，闡釋水射流空化對光催化處理的協同機制，為水射流空化技術的發展拓展新領域，為光催化技術的工業化套用提供新途徑。

結題摘要

水射流空化法設備簡單、無需施加化學試劑和高溫高壓，易於實現和維護，具有其他水處理方法無可比擬的優勢，其在環境領域的套用也正處於起步階段。然而，水射流空化的技術特點未得到深入研究。本項目針對這一問題，從空化泡(群)運動規律的可視化和空化伴生超音波頻譜檢測兩個角度，對不同尺寸空化器下的水射流空化過程和效應進行探討，揭示其特點。結果顯示：水射流空化伴生的超音波具有較高能量，能進一步降解污染物；納米級催化劑微粒的存在阻礙空化泡的規律運動；空化器的尺寸(喉部直徑、擴張角)影響空泡數量和運動周期，以及伴生聲波的能量和頻率分布。該研究進一步完善了水力空化的作用機理，揭示了其運行規律，這對水射流空化的理論研究和實際套用都有重要的指導意義。 針對光催化法連續運行過程中催化劑易失活、光解效率易受溶液傳質限制等問題，本項目提出將水射流空化套用於光催化技術中，通過電鏡掃描技術分析了其對光催化劑聚集態的影響；探討了污染物種類、初始濃度、光催化劑投加量、溶液酸鹼性和無機鹽介質共存等多種實驗條件的影響。結果顯示：水射流空化的單獨作用對污染物的降解效果甚微；水射流空化能強化大分子有機物(如染料、抗生素)的光催化降解反應，對小分子有機物(如苯酚)的光催化過程無明顯的促進作用；水射流空化對光催化劑有著持續的解聚集和分散作用；水射流空化和光催化的聯合使用，能大大提高污染物的降解效率，具有顯著的耦合效應。在本項目的研究條件下，該聯合方法對染料降解的協同係數為2.9；對四環素降解的協同係數隨四環素初始濃度由10 mg/L升至80 mg/L，由1.9升至4.2，說明其更適用於濃度較高的四環素廢水的治理。通過自由基捕獲、紫外可見光譜、紅外光譜和液相色譜-質譜聯用等分析手段，探討水射流空化和光催化聯合體系的作用機理，分析有機物在該聯合處理過程中的主要產物和降解路徑。結果顯示，針對這些水溶性高、蒸氣壓低的大分子有機污染物(如染料、抗生素)，羥基自由基的氧化反應是其主要的反應機理；水射流空化產生的物理化學效應(如伴生的微射流、衝擊波和產生的·OH等自由基)僅是對光催化反應過程的強化和協同，不改變有機物的光催化降解產物和路徑。該研究揭示了水射流空化與光催化的聯合作用機理和反應機制；為光催化技術的工業化套用提供新途徑；為水射流空化與光催化，以及與非均相體系的聯合套用提供了理論依據和實踐基礎。