微纳米气泡处理污水小系统开题报告_图文

微纳米气泡处理污水小系统开题报告_图文安徽工程大学

本科毕业设计(论文)开题报告

题目: 微纳米气泡处理污水小系统设计

指导老师: 徐建平 (教授)

院系: 生物与化学工程学院

专业: 环境工程(102班)

学号: 3100406226

姓名: 张琴弦

日期: 2014年3月5日

选题依据:

(包括选题的目的、意义、国内外研究现状分析等，并附主要参考文献及出处) 一、选题的目的和意义

中国是个水资源严重短缺的国家，水环境问题极为突出。目前，对于日益严重的河湖污染问题，我国通常采用的处理设备，难以产生微纳米级的细小气泡，溶氧率低、能耗高。而微纳米气泡发生装置能够生产直径在50μm和数十纳米(nm)之间的微小气泡，可快速地溶解于水体中，溶氧效率大大提高。该技术作为一种新型污水处理技术，在水环境治理中的市场前景极为广阔。

微纳米气泡:就是气泡发生时,其大小在十微米(um)以下至数百纳米(nm)之间的气泡混合状态,称为微纳米气泡。水处理领域离不开曝气环节,气泡越小容氧性越强，而气泡小到十微米以下，其物理、化学性质都将发生根本性变化。

微气泡由于尺寸小，可表现出一些特殊的行为特性，如存在时间长、传质效率高、表面电荷形成的ζ 电位高以及可释放出自由基等特性。微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子

[5]释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。本次试验研究将基于微纳

米气泡的一些特殊行为特性，进行微纳米气泡法处理工业废水的探讨。。

本课题拟开展微纳米气泡强化处理污水中的有机物、氨氮、铁锰离子、酚类的

机理与效果研究。探讨一种新型、高效、无二次污染的高级氧化处理方法，对微纳米气泡法在污水处理中的推广应用有重要意义。

二、国内外研究现状分析

2.1微纳米气泡强化氧化法处理污水的现状

利用羟基自由基的强氧化性可以对工业废水中大量污染物进行处理。有研究结

果证实，使用臭氧作为微气泡承载气体更容易产生大量羟基自由基，而且值得注意的是，尽管臭氧具有强氧化性，但自身却不能氧化分解某些有机物，如聚乙烯醇等，但将臭氧与微气泡技术联用后，却可以在短时间内有效地将这些不能降解的有机物氧化为无机物[6]。

Takahashi 等[7]证实强酸条件下空气微气泡破裂产生自由基可以去除酚;Li

等[8]发现酸性条件下铜可以催化氧气气泡破裂产生自由基，以去除聚乙烯醇; Chu 等[9,10]发现臭氧微气泡能够提高臭氧传质效率，并强化溶解性污染物的氧化去除; Liu等[11]在染料废水混凝气浮处理中，发现微气泡可以提高氧传质速率及污染物去除效率。

2.2微纳米气泡强化氧化法处理污水的机理

微气泡由于尺寸小，可表现出一些特殊的行为特性，如存在时间长、传质效率高、表面电荷形成的ζ 电位高以及可释放出自由基等特性。 1. 延长停留时间

普通气泡在水体中产生后，会迅速上升到水面并破裂消失，气泡存在的时间短;而微气泡一经产生，在水中上升的速度较慢，从产生到破裂的历程通常达到几十秒甚至几分钟[22]，而且在上升过程中体积会不断收缩并于水中最终溶解消失，如图1中所示。对于微气泡来说，体积越小的气泡在水中的上升速度就越慢，例如:气

泡直径为 1 mm 的气泡在水中上升的速度为 6 m/min，而直径为10 μm 的气泡在水中的上升速度为 3 mm/min，后者是前者的1/2000。

图1 普通气泡、微气泡与纳米气泡的区别

2(提高传质效率

当气泡直径较小时，微气泡界面处的表面张力对气泡特性的影响表现得较为显著。这时表面张力对内部气体产生了压缩作用，使得微气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压效应。从理论上看，随着气泡直径的无限缩小，气泡界面的比表面积也随之无限增大，最终由于自身增压效应可导致内部气压增大到无限大。因此，微气泡在其体积收缩过程中，由于比表面积及内部气压地不断增大，使得更多的气体穿过气泡界面溶解到水中，且随着气泡直径的减小表面张力的作用效果也越来越明显，最终内部压力达到一定极限值而导致气泡界面破裂消失[22]。因此，微气泡在收缩过程中的这种自身增压特性，可使气液界面处传质效率得到持续增强，并且这种特性使得微气泡即使在水体中气体含量达到过饱和条

件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。 3. 界面ζ 电位高

微纳米气泡界面周围的电荷离子会形成双电层，气泡表面吸附有带负电的表面电荷离子如 OH,等。在表面电荷离子层周围，由于电性吸引又分布有带正电的反电荷离子层如 H3O+等，如图 2所示(图 2 中 H+即为H3O+)。微气泡的表面电荷产生的电势差常利用ζ 电位来表征[23]，ζ 电位是决定气泡界面吸附性能的重要因素。气泡的体积越小则界面处产生ζ 电位就会越高，相应对水体中带电粒子的吸附性能也就越好。当微气泡在水中收缩时，电荷离子在非常狭小的气泡界面上得到了快速浓缩富集，表现为ζ 电位的显著增加，到气泡破裂前在界面处可形成非常高的ζ 电位值[5]。

图2 气泡界面带电机理示意图

4. 释放自由基

微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基[5]。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物如苯酚等，实现对水质的净化作用。有研究结果证实，使用臭氧作为微气泡承载气体更容易产生大量羟基自由基，而且值得注意的是，尽管臭氧具有强氧化性，但自身却不能氧化分解某些有机物，例如聚乙烯醇等，但将臭氧与微气

泡技术联用后，却可以在短时间内有效地将这些不能降解的有机物氧化为无机物[6]。

参考文献:

[1] 严煦世等.水和废水技术研究[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.184-85.

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[3] 张全兴,刘天华.我国应用树脂吸附法处理有机废水的进展(续)[J].化工环

保,1995,15(1):17-20.

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[5] Takahashi Masayoshi，Chiba Kaneo，Pan Li. Free-radical

generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus[J].J. Phys. Chem. B，

2007，111(6):1343-1347.

[6] Takahashi Masayoshi，Chiba Kaneo，Pan Li. Formation of hydroxyl radicals by collapsing ozone microbubbles under strongly acidic

conditions[J]. J. Phys. Chem. B，

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[7] Takahashi M，Chiba K，Li P( Free-radical generation from

collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus[J]( The Journal of Physical Chemistry B，2007，111 ( 6) :1343-1347(

[8] Li P，Takahashi M，Chiba K( Enhanced free-radical generation by shrinking microbubbles using a copper catalyst [J](Chemosphere，2009，

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