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- 2022-04-26 发布
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天津工业大学硕士学位论文基于含油废水处理的电催化膜反应器优化设计及动力学研究姓名:张秀伟申请学位级别:硕士专业:材料工程指导教师:李建新;杜江20111130
n中文摘要度等�驮诵刑跫�牒�突蚧��柩趿���去除率之间的影响规律,并结合单因素优化法和响应面法对上述因素进行考察和优化。根据单因素实验分析结果,采用响应面法对电极间距、电解质浓度、�和温度四个参数进行优化,得出最佳参数为:电极间距�.���缃庵逝ǘ����疞,��.��露���℃,并在电流密度����/���A羰奔�.��的条件下,理论预测电催化膜反为考察电催化膜反应器处理含油废水参数的优化提供依据。在最佳参数条件下,电催化膜反应器不仅在降解低浓度含油废水取得很好的取得较好的效果。处理���/�暮�头纤�保�绱呋�し从ζ鞫訡�去除电催化氧化技术能耗要低很多。间的变化而变化,得到�们。�胧奔鋞的关系图,符合一级反应动力学规律。关键词:含油废水;电催化膜;膜反应器;设计优化;动力学;
n���棰骾�����絫��������稹<蟧�甴���������������������������������������仃�删”�����瞖��������璐.�������������龆韎�����璯��������������】能��������甊����������培�����啪�������瞖���謊������疞,�����.�妫畁��从������.��誧����.�%.�:����痬�╠��痥����影������恤慨�鬳���������ィ琫�翰,������ⅱ舻�.�������/������������������������甌����������.
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n/~溉学位论文的主要创新点
n第一章概述第一章概述��研究背景��研究目的特有的技术优势和应用前景。
n天津工业大学硕士学位论文��研究内容电催化膜反应器设计优化:采用电催化膜反应器降解含油废水,研究
n第二章文献综述第二章文献综述��含油废水根据含油污染物的来源及在水中的存在形式,可将含油废水分为四类,分别稳定,放置一段时间后通常变成浮油。方法分离较困难。
n天津工业大学硕士学位论文根据我国《石油开发工业水污染物排放标准》【�������,由于石油开采产生的废水必须经过处理才能排放,经过处理后的废水回注地层或用作工业回掺水,不得不排放的废水最高容许排放浓度需满足表��的规定。根据我国石油天然气行业标准《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》��������囊G螅�刈⑺�暮�团ǘ纫5陀���,悬浮物低于
n第二章文献综述��。此外,依据环境要求,油田采出水也需处理到排放标准再进行排放。处理含油废水的方法很多,但是每种方法都有自己的适用范围和缺点,这主要是与每种方法的处理原理和特点相关【���:
n天津工业大学硕士学位论文含油废水的各种处理方法具体适用范围及优缺点如下表所示:表��常用含油污水处理方法比较
n第二章文献综述��膜分离技术膜分离作为一种新兴的高效、节能、环境友好分离技术,是解决目前资源危机和环境恶化问题的有效手段,已在许多工业领域得到广泛应用。膜分离的原理是利用特殊的薄膜对所处理的各种组分进行选择性的渗透,是以外界能量或化学位为推动力来进行分离、分级、提纯和富集双组分或多组分混合的气体或液体的方法。
n天津工业大学硕士学位论文以下。���.�之间。结束实验后对污染膜用阴离子活性剂进行清洗,纯水通量在清洗后回到初始值。又采用��岬陶瓷微滤膜对处理相同的水,运用预处理工艺和脉冲工艺相结合,膜表面流速维持在����痵之间,运转时间在�.�含油���疞。日本�����緄等【�】采用超滤/反渗透法处理含油废水。研究表明,只采用超
n第二章文献综述为��.��¨�J笛楸砻鞑沙鏊�ご�砗螅��土吭����理达到加里福尼亚饮用水的标准。�几下降为���,��.��,��������.�,处理后别为�����琇的含油废水,经处理后,排出水中油含量均达到了国家工业废水排放标准,同时详细深入分析研究了处理过程中的操作条件和渗透机理。综上所述,人们对膜法处理采油废水进行了广泛研究与应用,并取得了较多的研究成果。但在膜法处理废水过程中,膜污染制约膜分离技术的扩大化应用。由于浓差极化和污染物在膜表面和孔隙的沉积造成的膜污染,导致跨膜压差升高,膜通量下降进而导致分离效率低下、膜处理能力下降显著,膜寿命因此缩短,严重地影响膜分离过程的稳定性及经济性。
n天津工业大学硕士学位论文图�甀错流膜过滤中浓差极化层和凝胶层形成示意图�】��负电位,进而提高膜的抗污染能力。��等【�】通过氮基等亲水性离子体对滤膜表面涂覆聚甲醚甲基丙烯酸酯来提高其抗污染性能的研究。除了在膜表面引入亲水性基团和聚合物来进行改性外,科学家们发现无机纳米粒子具有良好的热稳定性,并具有某些特殊的功能,将其与有机高分子共混,可以制备出具有特定功能的高分子分离膜,能有效提高膜抗污染能力岬�。�����鷄�等【铝】通过采用紫外辐射法把纳米��颗粒接枝在聚醚砜/聚酰亚米银粒子,通过界面聚合反应制备抗菌聚酰胺复合膜,该方法不仅能有效提高膜
n第二章文献综述。:∥∥鬟罢∥缴��一∥�;翟”≯彩�薄�≯∥;黪垂�鱝警主■.签鎏扎��,��鱢�,图��染性能及污染物去除率影响的对比
n天津工业大学硕士学位论文�罩的去除效率相比于单独的光催化技术或单独的膜分离技术相比有了明显提高。剂,并与膜蒸馏过程结合处理亚甲基蓝废水,成功从处理液中分离催化剂和副产此外,生物技术与膜技术相结合技术也得到了广泛关注,将絮凝剂、活性污泥、微生物等加在膜反应器中,构建膜生物反应器来缓解膜污染。美国专利�����【�】公开了一种膜反应器,利用絮凝剂预吸附废水中的有机物,来达到减缓膜污染的目的,但絮凝剂的加入会造成二次污染同时添加剂难以回收。美国专利������
n第二章文献综述另外,臭氧技术与超滤协同作用,物理化学预处理与膜分离集成等技术同样水质,增强了膜的抗污染能力,降低经济成本。材料依然是膜分离材料与技术的主要研究方向。理就是利用阳极氧化反应直接降解有机物,或通过阳极反应产生羟基自由基
n天津工业大学硕士学位论文会较快的被污染或失活,在反生催化反应的电势范围内,电极表面不会失活。电��挥韫制不�污染物艇极巍接敏化图��电催化氧化机理示意副叫
n第二章文献综述墨∈�帧ⅰ���敷�艟�
n天津工业大学硕士学位论文铂纳米催化剂相比,其活性和稳定性都有显著提高,同时处理甲酸、乙醇等有机废水���螅�銫��去除率达到�%,��コ�蚀锏��ァ9衕吼�等【�】用删�.��.��电极处理工业废水,发现这种电极优于单一金属氧化物作为催化剂的电极,适用于处理含高浓度有机物的工业废水。在对电极材料研究的同时,影响电化学氧化反应的条件也在研究当中。孙永析氧等缺点至今没有工业化应用。��本章小结
n第二章文献综述
n天津工业大学硕士学位论文
n第三章含油废水过程中电催化膜反应器优化设计研究第三章含油废水过程中电催化膜反应器优化设计研究进行考察和优化。验证电催化膜反应器在最优参数下处理不同浓度的含油废水��.��材料与试剂表��实验材料及试剂��负载电催化膜阳极材料的制备��.��
n天津工业大学硕士学位论文阴极,分别与直流稳压电源连接,构成电催化膜反应器。其实验装置如图��所示。图��电催化膜反应器装置图��.��设备及仪器实验过程中所用到的设备及仪器,如表��所示。
n第三章含油废水过程中电催化膜反应器优化设计研究��.��含油废水的配制�—�爿�其中乒膜渗透通量�/���缓胪腹���:彳.膜面积��:�操作时间Ⅳ�崛鏳砒����%去除率进行表征。含油污水去除率�募扑愎����如下:
n天津工业大学硕士学位论文��.��电催化膜反应器降解含油废水的能耗和催化效率电催化膜反应器能耗:丝�.�.的体积,�式�.�如下所示:
n水平因素�温度�����甇�����甇
n天津工业大学硕士学位论文��结果与讨论��.��电极间距�觢�、电解质固定含油废水溶液初始浓度为���疞、电流密度为���谱图特征峰强度及电催化膜反应器运行�过程中,膜通量的变化情况。由图��可知,在不同电极间距条件下,采用电催化膜处理含油废水过程中,去除率反而降低。通过对图��和图��的分析可知电极间距过大或过小都不利于电催化膜通
n解使污染物不能很好地吸附降解,从而降低了降解效果,造成膜通量的下降明显。
n天津工业大学硕士学位论文��.��电解质浓度固定油水初始浓度为���疞、电流密度为��蜂强度及电催化膜反应器运行�过程中,通量的变化情况,.、图��电催化膜通量的变化情况
n电解质在体系中的作用是离子导电,促进电子的转移。由图��可知,当电是因为溶液的电导率随着电解质浓度的增加而提高,从而加快电子的转移,提高反应速率;但溶液中电解质过多,一是会使电解质离子间的相互作用加强,导致电导率下降,有机物降解速度变慢,降解率变差,溶液去除率降低导致膜污染【�】:二是导致电流密度增加,使得电极表面析氢析氧反应加剧,在电极表面形成气体隔离层,影响了有机物的吸附,降低了降解效率。在不同电解质浓度下将处理透过液进行�鰏分析,结果如图��所示。
n天津工业大学硕士学位论文图���硪篣��鰏谱图�为�⑽露任��妫�A羰奔湮�.��,考察电流密度为�������觤��.���琧�、���伽犰�、�����穖�保�芤篊�去除率和�簦甐�谱图特征峰强度及电催化膜反应器运行�过程中,通量的变化情况。��、图��所示。
n图��电催化膜通量的变化情况仅下降��%,但电流密度继续增加,膜通量下降趋势变大。电流密度增加,电子转移速度加快,溶液产生的·�等强氧化基团浓度变大,有
n天津工业大学硕士学位论文生大量的气泡,导致油水分子去除率减小。图����硪篣�甐�谱图
n图���芤篊�去除率的变化情况
n天津工业大学硕士学位论文在不同停留时间的条件下,处理液�二Ⅵ�淄既缤�.�所示。图��处理液��鰏谱图��.���固定油水初始浓度为���疞、电流密度为���枞�、电极间距为��、电解质浓度为��疞,停留时间为�����疾靝��、��、��、行�过程中,通量的变化情况。���⑼�.�所示。由图��可知,在�为��、��时,运行�后,膜通量下降程度接近,污染较严重。
n第三章含油废水过程中电催化膜反应器优化设计研究图���芤篊�去除率的变化情况当吸附体系的�低于等电位点�时,其表面主要是���,而当吸附体
n天津工业大学硕士学位论文��.��温度固定油水初始浓度为���疞、电流密度为����希痗�、电极间距为�衄、电解质浓度为��疞、�为��A羰奔湮�.����疾煳露任狾℃、特征峰强度及电催化膜反应器运行�过程中,通量的变化情况。在不同温度条件下,电催化膜通量及溶液��コ�实谋浠�榭鋈缤�.�、由图���芍#�孀盼露鹊纳�撸�芤篊�的去除率增加,在�℃时达
n第三章含油废水过程中电催化膜反应器优化设计研究图���芤篊�去除率的变化情况降,未降解的大分子吸附在膜表面,堵塞膜孔,造成通量的下降。
n天津工业大学硕士学位论文在不同温度条件下,处理液�Ⅵ�淄既缤�.�所示。由图���芍#�谖露任��媸保��姗左右的油水特征峰强度下降最大,其他温度时,特征峰强度的下降程度都不如�℃时大,规律与电催化膜通量及��.��中心组合设计表��泄灿��鍪笛榈悖�渲邪��鲆虻���自变量取值在��、其中�窍煊χ�本实验中为溶液��コ��,��、��分别代表
n第三章含油废水过程中电催化膜反应器优化设计研究�.����.������.���.��.����甇.��.���公式�.�表��回归模型方差分析去除率的可变因素的拟合度很好��.�%���盋�ブ岛苌�����说明模很接近。所以,这个模型是合理的,可以采用,与上述分析结果一致。
n一�����说明误差分布均匀,进一步证明模型的可靠性。
n值为���珺�畹腇值为���,其余几个因素的交互作用则不明显。可以比��.��等高线及响应面分析和等高线图。
n天津工业大学硕士学位论文溶液�口圭障辜骸�唬唬�。..:’:,:,一一二~一�距�����������鋏胛�‰肿·爹矿�肽玙一�.�蠢�麓,����何露��∞缓獭一㈤黧。、.鼍、.。鬻缪黪缳鬻”
n�駆�鮁翠�蜸�琛猰�馽�贗���荨駊�酬�馾�鰑。誓跎��旱缃庵手槎纫弧�.∞���钗�畿粕口����何露��.叩�∞”��瓹因素的响应面和等高线图
n天津工业大学硕士学位论文��瘛�證�啊:��■���协������々�欢�唬槐海弧#�培�鏑�去除翠一�科�铡���旱凸五∞���瓺因素的响应面和等高线图
n●��同�豳��海海篴�籵.。。描:.�睿骸��。二���∞一�:�旱爵篷稍凸�警鲣�録,��嵋:�山■溶液�����猎�⒕��
n天津工业大学硕士学位论文��:温度�∞珊图���瓺因素的响应面和等高线图
n第三章含油废水过程中电催化膜反应器优化设计研究�精�●����唬海�甶..‘;�一。�唬�籲一÷��旱绯燃渚���旱缛鐹髓霖厦��甇口�缸�鯢■凼一��旱缃庵拭炼��.∞,∞
n天津工业大学硕士学位论文质浓度��宰;�实挠跋煲约癆.�慕换プ饔谩?梢钥闯龅缂ḿ渚��等间距��和���梢缘贸龇从ξ露��影响大于电极间距��和�.�可质浓度为�.�/����.�头从ξ露任���℃,并在电流密度为���电催化膜反应器处理浓度为���疞、���疞、���/�����疞时,溶�.�%�.�%�.�%�.�%�.�%�.�%�.�%�.�%�.�%�.�%运行�后通量保持情况⋯.,
n统的电催化氧化技术【��】有很大的提高,同时由于电催化膜自身具有自清洁功能��本章小结�⒌绱呋�し从ζ鹘到夂�头纤�罴烟跫�#旱缂ḿ渚辔����、电解质浓度为�.�/����.�⒎从ξ露任���℃,电流密度为���效果,如降解���/�暮�头纤�保�芤篊�去除率可达�.�%,能耗为
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n第四章电催化膜反应器降解含油废水的动力学研究第四章电催化膜反应器处理含油废水的动力学研究��实验部分��实验过程采用电催化膜反应器降解含油废水,研究在不同电极间距、电解质浓度、电��结果与讨论禁带。当����磕ぷ魑Q艏ū坏绯〖し⑹保琓.�吸收足够的能量发生电子跃迁,
n天津工业大学硕士学位论文��一哼�一�簟ひ幻驞���甇���!疌���通过如上分析,可知电催化膜反应器降解含油废水过程的动力学方程:反应式�.�间,��为反应级数,�为反应速率常数反应式�.��反应式�.�反应式�.�经积分变换,得反应式�.���.��电极间距固定含油废水溶液初始浓度为���琇、电流密度为��№��ǘ任��/����、温度为�℃,考察电极间距分别在��、�咖时间的变化情况,如图��所示。
n第四章电催化膜反应器降解含油废水的动力学研究���与时间�墓叵低迹�缤剪�,并进行动力学回归,得到相应的关系式,如表��.�����������时间����图�����疌,�雝的关系式及动力学回归表��电极间距反应动力学方程的同归结果皇壑囹堕�钜��“�/������羖���
n天津工业大学硕士学位论文固定含油废水溶液初始浓度为���疞、电极间距为��、电流密度为时间的变化情况,如图��所示。图��芤篊�去除率随停留时间的变化情况
n第四章电催化膜反应器降解含油废水的动力学研究���时间�������痗。�雝的关系式及动力学回归表��电解质浓度反应动力学方程的回归结果反应动力学方程��/��������甹�.�����.��电流密度
n天津工业大学硕士学位论文图��芤篊�去除率随停留时间的变化情况�时间����图��蒀�痗。�雝的关系式及动力学回归
n�‘��.�����疌��.��×�。��.���������由表��可知,可以看出在不同电流密度条件下,反应速率影响的动力学回��.���根据不同�条件下,溶液��コ�仕嫱A羰奔涞谋浠�榭觯�玫紧珻�疌�
n天津工业大学硕士学位论文����反应动力学方程的回归结果�反应动力学方程���.������������×�。固定含油废水溶液初始浓度为���疞、电极间距为��、电解质���浓度为��疞、电流密度为����觤����,考察温度分别为�℃、�℃、的变化情况,如图��所示。
n第四章电催化膜反应器降解含油废水的动力学研究呱��与时间�墓叵低迹�缤�—�,并进行动力学回归,得到相应的关系式,如表��。�芝���表��温度反应动力学方程的回归结果星廛麴垄堂壅垂���/������羖���.��
n天津工业大学硕士学位论文���/�跫�拢�绱呋�し从ζ鹘到夂�头纤�保�芤篊�去除率随着停留得到衄�/��与时间�墓叵低迹�缤�.�,并进行动力学回归,得到相应的关
n第四章电催化膜反应器降解含油废水的动力学研究�、一/���表��油水初始浓度反应动力学方程的回归结果反应动力学方程����羖��衄�ィ簍�����羖��������疌��.��×���.��������通过对不同油水初始浓度下,��【与��的曲线进行拟合,求出表观反应速�����.�����.��反应式�.���本章小结
n天津工业大学硕士学位论文
n第五章结论及下一步研究建议影响电催化膜反应器降解含油废水效果的各因素显著性顺序为:�用最显著,而与电解质浓度的交互作用较弱。��绱呋�し从ζ鹘到夂�头纤�罴烟跫�#旱缂ḿ渚辔����、电解��痬��呋��饰�.�����。此外,在处理高浓度含油废水��下一步研究建议
n天津工业大学硕士学位论文
n���.�������������載���痺�������【�浚瓻���.�����痷���������������猠�綣�甒����甌����.,��,�:����.蔺爱国,刘培勇.膜分离技术在油田含油污水处理中的应用研究进展.工业水�鷄����������/�����樾佳矣筒刈⑺��释萍鲋副昙胺治龇椒ā維】.�����.�习����������������,��������,����穕������.������.��琇���琙����甊����锟����縎�����【�浚甒�������科�
n天津工业大学硕士学位论文�緼��出��琒�����锄���【��订����������綣】.Ⅵ,����������.�甀��������鏻������蒭��叨.膜科学与技术,��,�:�.�.�����硒��.���������詔�������锄�����������������啃�������瑚�鷇��������甋�.��£融���.,��,�:����.��雊【�】���.�����緎������鷒���叮甋������������【�】�������������【�】王细凤,王同华.炭膜处理含油污水的研究�】膜科学与技术,��,�:�.�.��柯婀闵��薏扑桑�镉赖龋�⒙四て迫榧际醯难芯俊綣】.膜科学与技术,��,�:�.�.【�】����椤m鰌�玸������妯�觭�∩緄�四.��畇�.融��.,���ⅱ鬭����������絪船即��秛��.��【�】�����
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n�张譱�������篍�����,������������������.�������������【�】魏金枝,冯玉杰等.负载�掺杂��瓷环粒子电极的制备及电催化性能【�.硅酸盐学报.��,�:��������������./�������猘����������仃��鳎甆��������:�—�.�����鏲�鉪����瓻��������������.�����������:�泛餰�����明.�����������:����【�】���鶵���北�甴�����璐������糳��衞����������科�篊����,��������.�:����.�∞�鷗��鷇����衛��������扭��.�疵����篍���
n发表论文和参加科研情况说明发表论文和参加科研情况说明一、在校期间发表论文��
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