水射流空化聯(lián)合光催化處理難降解有機物的新方法研究

水射流空化法設(shè)備簡單、無需施加化學(xué)試劑和高溫高壓，易于實現(xiàn)和維護(hù)，具有其他水處理方法無可比擬的優(yōu)勢，其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用也正處于起步階段。然而，水射流空化的技術(shù)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(guī)律的可視化和空化伴生超聲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(yīng)進(jìn)行探討，揭示其特點。結(jié)果顯示：水射流空化伴生的超聲波具有較高能量，能進(jìn)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(guī)律運動；空化器的尺寸(喉部直徑、擴張角)影響空泡數(shù)量和運動周期，以及伴生聲波的能量和頻率分布。該研究進(jìn)一步完善了水力空化的作用機理，揭示了其運行規(guī)律，這對水射流空化的理論研究和實際應(yīng)用都有重要的指導(dǎo)意義。 針對光催化法連續(xù)運行過程中催化劑易失活、光解效率易受溶液傳質(zhì)限制等問題，本項目提出將水射流空化應(yīng)用于光催化技術(shù)中，通過電鏡掃描技術(shù)分析了其對光催化劑聚集態(tài)的影響；探討了污染物種類、初始濃度、光催化劑投加量、溶液酸堿性和無機鹽介質(zhì)共存等多種實驗條件的影響。結(jié)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(yīng)，對小分子有機物(如苯酚)的光催化過程無明顯的促進(jìn)作用；水射流空化對光催化劑有著持續(xù)的解聚集和分散作用；水射流空化和光催化的聯(lián)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(yīng)。在本項目的研究條件下，該聯(lián)合方法對染料降解的協(xié)同系數(shù)為2.9；對四環(huán)素降解的協(xié)同系數(shù)隨四環(huán)素初始濃度由10 mg/L升至80 mg/L，由1.9升至4.2，說明其更適用于濃度較高的四環(huán)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(zhì)譜聯(lián)用等分析手段，探討水射流空化和光催化聯(lián)合體系的作用機理，分析有機物在該聯(lián)合處理過程中的主要產(chǎn)物和降解路徑。結(jié)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(yīng)是其主要的反應(yīng)機理；水射流空化產(chǎn)生的物理化學(xué)效應(yīng)(如伴生的微射流、沖擊波和產(chǎn)生的·OH等自由基)僅是對光催化反應(yīng)過程的強化和協(xié)同，不改變有機物的光催化降解產(chǎn)物和路徑。該研究揭示了水射流空化與光催化的聯(lián)合作用機理和反應(yīng)機制；為光催化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)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(lián)合應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。

光催化能有效降解水中的多種有機污染物，但在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)傳質(zhì)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(xué)試劑、綠色環(huán)保的水處理技術(shù)，其在環(huán)境污染治理方面的研究尚處于起步階段。高速流動的水體在噴嘴內(nèi)會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，即水射流空化。該技術(shù)具有無需應(yīng)用嚴(yán)苛的條件就能產(chǎn)生局部的高溫高壓、湍流和微射流能增強溶液傳質(zhì)、能減少所需試劑的投加量、易實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用等優(yōu)點。本項目將水射流空化與光催化技術(shù)結(jié)合，用微觀影像和聲波檢測的方法，研究水射流產(chǎn)生的空化現(xiàn)象和聲譜特征，并探索其受實驗條件的影響。通過改變污染物的種類、濃度、溶液的酸堿性和無機鹽介質(zhì)，研究光催化材料的表面形態(tài)和污染物質(zhì)的吸附-更新過程，闡釋水射流空化對光催化處理的協(xié)同機制，為水射流空化技術(shù)的發(fā)展拓展新領(lǐng)域，為光催化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供新途徑。

《光催化水處理技術(shù)》基于光催化水處理技術(shù)中制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸問題，系統(tǒng)介紹了光催化技術(shù)的發(fā)展和光催化水處理技術(shù)的機理，總結(jié)并介紹了近年來光催化水處理技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用并詳細(xì)介紹了光電聯(lián)合處理難降解有機廢水、電化學(xué)光催化序批式組合工藝處理印染廢水、磁場輔助光催化降解協(xié)同效應(yīng)研究以及生物慢濾光催化串聯(lián)組合工藝處理硝酸鹽微污染地下水等聯(lián)合應(yīng)用實例。

《光催化水處理技術(shù)》具有較強的技術(shù)性和應(yīng)用性，可供環(huán)境工程、市政工程等領(lǐng)域的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)師生參閱。

（1）新型高效光催化劑，包括可見光光催化劑的研究與開發(fā)；

（2）光催化技術(shù)在空氣凈化和污水處理等環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用研究；

（3）光催化技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究；

（4）光催化技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用研究和技術(shù)開發(fā)；

（5）光催化技術(shù)在高壓輸變電線路安全保障方面的應(yīng)用研究；

（6）光催化技術(shù)及其產(chǎn)品的工程化和產(chǎn)業(yè)化研究與設(shè)計。

光催化材料具有污染物凈化、抗菌抑菌等功能，應(yīng)用于混凝土可提升混凝土的綜合性能與使用功效，拓寬混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域。項目針對光催化材料在混凝土中應(yīng)用存在的催化效率低、功能衰減快問題，創(chuàng)新提出一種基于光催化功能載體的光催化混凝土材料設(shè)計與制備思路，通過研究光催化劑與混凝土的復(fù)合機理，提出光催化功能載體組成與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，研究掌握不同尺度、形貌的高效光催化功能載體制備技術(shù)；通過研究光催化混凝土對不同目標(biāo)物的催化機理，建立混凝土光催化功能層結(jié)構(gòu)模型，探明光催化功能層對混凝土催化效果與宏觀性能的影響規(guī)律，提出混凝土光催化功能層結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)筑實現(xiàn)方法；在此基礎(chǔ)上，模擬空氣凈化、混凝土抗菌兩種典型的應(yīng)用環(huán)境特點，評價研制的光催化混凝土催化效果與綜合性能，探討光催化活性失活機理，建立光催化混凝土長效化作用機制，為推動光催化混凝土的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐，促進(jìn)混凝土材料與相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。