一种废水臭氧催化氧化塔的优化设计(附件)
本次设计是在实验室臭氧氧化塔小试装置模型的基础上，经过继续实验、检测、对比，强化臭氧催化氧化塔对于臭氧利用率的提高，最终选出优化调整方案对臭氧催化氧化塔设备及工艺进一步改进。优化的方案，不仅需要在塔本身的装置上进行创新、优化、调整，同时也需要从填料/催化剂，以及进水流速等方面进行调整。在通过试验和优化设计计算后，最终选定新增一个接触氧化池作为气液预混段与氧化塔相连接，并联使用，同时将接触氧化池排出的气体回流至废水臭氧催化氧化塔1号曝气头处再次利用。在条件允许的情况下可多加设一个尾气收集塔，将尾气通入后经过加热通过催化剂来分离臭氧与其他尾气，臭氧可回收利用。臭氧催化氧化塔使用中下层填料层，并且考虑到臭氧腐蚀的问题，在对比碳钢合金与防臭氧腐蚀漆的成本后，根据实际情况选用碳钢合金作为氧化塔设备材料。关键词 臭氧，催化，防腐蚀，接触氧化池，尾气收集塔
目录
1引言 1
1.1臭氧催化氧化技术 1
1.2非均相臭氧催化氧化处理技术 2
1.3臭氧催化氧化塔的使用现状 3
1.4臭氧催化氧化塔的优化 5
1.5臭氧催化氧化塔优化实验设计 5
1.5.1臭氧投加量 5
1.5.2氧化塔运行方式 6
1.5.3预处理装置 6
1.5.3.1 过滤 6
1.5.3.2 调节pH 6
2.实验部分 7
2.1实验仪器 7
2.2实验药品 7
2.3实验方法 8
2.3.1实验步骤 8
2.3.2碘量法测定O3 8
2.3.2.1实验原理 8
2.3.2.2实验试剂 9
2.3.2.3测定臭氧的实验步骤 9
2.3.2.4实验数据处理 9
2.4催化氧化塔的设计 10
2.4.1进水优化 11
2.4.2材料腐蚀 11
2.4.3其他优化设计 12
3.设计方案的计算 13
3.1设计部件 13
3.2设计方案计算 13
3.3设计结果 15
3.4设计展望 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
结 论 17
致谢 18
参考文献 19
1引言
催化氧化是指以金属材料为催化剂,如Pt、Pd、Ni、Cu等存在情况下与以空气、氧气、臭氧等为氧化剂在一定压力和温度条件下进行的氧化反应，其中“加氧”，“去氢”两方面都算催化氧化。而臭氧催化氧化塔则是利用催化剂加臭氧的分解来加快废水中污染物与所选氧化剂间的化学反应，从而达到去除水中的污染物的目的。
1.1臭氧催化氧化技术
随着近代工业的迅速发展，像石油化工、机化工、焦化、印染、医药、农药、杀虫剂及除草剂等行业所排放的大量工业废水，生活污水及农田排水中有机化合物的数量和种类与日俱增，这些废水流入水体后，造成严重的污染。这类废水共同特性是可生化性差、毒性大，水质变化大，且具有明显的致癌、致畸、致突变“三致”作用。传统生物处理法因为这类污水具有生物毒性大、难降解等特点而无法有效处理这类污水因此，各种针对此类污水处理的水处理技术得到了快速发展。其中，臭氧催化氧化技术这些技术中的佼佼者，其设备简单，且臭氧氧化能力强，无二次污染甚至连处理时间都能大大缩短，所以臭氧催化氧化技术在难降解废水的处理中有了大展身手的机会。
臭氧在与水中有机物反应时往往会有两种反应方式，分别为直接反映和间接反映，可以表现为直接氧化和间接氧化。其中直接氧化因为其特性，对生成的小分子有机物如羧酸等的氧化速率较低，一般只能将容易氧化的不饱和键断开，反应速率常数在1.0103molL1s1范围内[1]。因此，单纯的臭氧氧化作用很难将有机物彻底矿化，氧化效率较低；间接反应是有羟基自由基(OH)参与的氧化反应，OH作为二次氧化剂使得有机物迅速氧化，属于非选择性瞬时反应，反应速率常数为1081010molL1s1，比直接反应高几个数量级，这样可以大大提高氧化效率，可以实现有机物污染物更完全的矿化。
为了进一步提高臭氧氧化法对污染物的去除效率，国内外许多学者开始研究以臭氧为主体的高级氧化组合工艺，如催化臭氧工艺、H2O2/O3工艺、光催化/O3工艺、电化学/O3工艺等，实质上都是产生了羟基自由基，不过其选择性较低、氧化性更强，所以才能降解各类废水中不易处理的污染物。相比于其他高级氧化技术，臭氧氧化技术有更强的氧化能力，所需的反应时间也较短还不会产生二次污染。在稳定性强难降解污染处理方面具备独特优势，在处理印染、焦化、化工、石化、制药、垃圾渗滤液、农药等有难降解有机物方面前景广阔。
但目前臭氧高级氧化技术仍存在问题：
首先，臭氧能耗较高，产率较低，臭氧的发生成本较高；同时，臭氧溶解度较低，在正常情况下仅在10mg/L左右，利用率相对来说并不高；
其次，臭氧要完全处理污水的效率还有待提高；
另外，催化剂成本高，使用寿命短。技术联合时设备建设投资和运行费用高，操作难度大，运行不稳定等问题。
1.2非均相臭氧催化氧化处理技术
由于上述问题的存在，臭氧催化氧化技术也在不断地发展不断地进步。目前高级催化氧化处理有机废水技术主要包括：O3/H2O2法，O3/UV法，臭氧/活性炭法，均相和非均相催化臭氧化法。O3/H2O2是一种有效降解废水中污染物的高级氧化过程。该方式可直接将污染物氧化为CO2和H2O，且过程中不会产生二次污染，还可将臭氧单独无法氧化的有机物降解。该法可用于净化饮用水和造纸、印染、焦化等废水的处理。但该法臭氧利用率低、消耗量大，对COD的去除率不高，只能达到70%。O3/UV是利用臭氧在紫外光的照射下，分解产生活泼的次生氧化剂来氧化有机物的处理方法。另外，紫外光的照射还可以使有机物形成大量活化分子，为有机物的氧化具备更有效的条件。所以该法具有氧化能力强，反应无选择性等优点，对COD的去除率可达85%以上[2]。但该法需要安置紫外灯和相应的配套设备，所以装置成本高，不容易实现工业化。臭氧/活性炭是在含有臭氧的废水中悬浮一些活性炭，在水相中会引发链反应，并加速臭氧转化为羟基自由基，由此导致了类似于O3/H2O2或O3/UV的高级氧化过程。该法的氧化能力不如O3/H2O2或O3/UV，而且活性炭不容易再生，活性炭消耗量大。均相催化臭氧氧化就是向废水中加入一定浓度的过渡金属离子如：Fe2+、Mn2+、Ni2+、Co2+等，随后再向废水中通入臭氧，在过渡金属离子的催化作用下臭氧发生降解反应生成羟基自由基，从而对废水中有机物进行氧化，去除污染物。该法COD的去除率可以达到78%以上，但需要消耗药剂，对金属离子要有后续处理，如果处理不好会造成二次污染[3]。
目录
1引言 1
1.1臭氧催化氧化技术 1
1.2非均相臭氧催化氧化处理技术 2
1.3臭氧催化氧化塔的使用现状 3
1.4臭氧催化氧化塔的优化 5
1.5臭氧催化氧化塔优化实验设计 5
1.5.1臭氧投加量 5
1.5.2氧化塔运行方式 6
1.5.3预处理装置 6
1.5.3.1 过滤 6
1.5.3.2 调节pH 6
2.实验部分 7
2.1实验仪器 7
2.2实验药品 7
2.3实验方法 8
2.3.1实验步骤 8
2.3.2碘量法测定O3 8
2.3.2.1实验原理 8
2.3.2.2实验试剂 9
2.3.2.3测定臭氧的实验步骤 9
2.3.2.4实验数据处理 9
2.4催化氧化塔的设计 10
2.4.1进水优化 11
2.4.2材料腐蚀 11
2.4.3其他优化设计 12
3.设计方案的计算 13
3.1设计部件 13
3.2设计方案计算 13
3.3设计结果 15
3.4设计展望 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
结 论 17
致谢 18
参考文献 19
1引言
催化氧化是指以金属材料为催化剂,如Pt、Pd、Ni、Cu等存在情况下与以空气、氧气、臭氧等为氧化剂在一定压力和温度条件下进行的氧化反应，其中“加氧”，“去氢”两方面都算催化氧化。而臭氧催化氧化塔则是利用催化剂加臭氧的分解来加快废水中污染物与所选氧化剂间的化学反应，从而达到去除水中的污染物的目的。
1.1臭氧催化氧化技术
随着近代工业的迅速发展，像石油化工、机化工、焦化、印染、医药、农药、杀虫剂及除草剂等行业所排放的大量工业废水，生活污水及农田排水中有机化合物的数量和种类与日俱增，这些废水流入水体后，造成严重的污染。这类废水共同特性是可生化性差、毒性大，水质变化大，且具有明显的致癌、致畸、致突变“三致”作用。传统生物处理法因为这类污水具有生物毒性大、难降解等特点而无法有效处理这类污水因此，各种针对此类污水处理的水处理技术得到了快速发展。其中，臭氧催化氧化技术这些技术中的佼佼者，其设备简单，且臭氧氧化能力强，无二次污染甚至连处理时间都能大大缩短，所以臭氧催化氧化技术在难降解废水的处理中有了大展身手的机会。
臭氧在与水中有机物反应时往往会有两种反应方式，分别为直接反映和间接反映，可以表现为直接氧化和间接氧化。其中直接氧化因为其特性，对生成的小分子有机物如羧酸等的氧化速率较低，一般只能将容易氧化的不饱和键断开，反应速率常数在1.0103molL1s1范围内[1]。因此，单纯的臭氧氧化作用很难将有机物彻底矿化，氧化效率较低；间接反应是有羟基自由基(OH)参与的氧化反应，OH作为二次氧化剂使得有机物迅速氧化，属于非选择性瞬时反应，反应速率常数为1081010molL1s1，比直接反应高几个数量级，这样可以大大提高氧化效率，可以实现有机物污染物更完全的矿化。
为了进一步提高臭氧氧化法对污染物的去除效率，国内外许多学者开始研究以臭氧为主体的高级氧化组合工艺，如催化臭氧工艺、H2O2/O3工艺、光催化/O3工艺、电化学/O3工艺等，实质上都是产生了羟基自由基，不过其选择性较低、氧化性更强，所以才能降解各类废水中不易处理的污染物。相比于其他高级氧化技术，臭氧氧化技术有更强的氧化能力，所需的反应时间也较短还不会产生二次污染。在稳定性强难降解污染处理方面具备独特优势，在处理印染、焦化、化工、石化、制药、垃圾渗滤液、农药等有难降解有机物方面前景广阔。
但目前臭氧高级氧化技术仍存在问题：
首先，臭氧能耗较高，产率较低，臭氧的发生成本较高；同时，臭氧溶解度较低，在正常情况下仅在10mg/L左右，利用率相对来说并不高；
其次，臭氧要完全处理污水的效率还有待提高；
另外，催化剂成本高，使用寿命短。技术联合时设备建设投资和运行费用高，操作难度大，运行不稳定等问题。
1.2非均相臭氧催化氧化处理技术
由于上述问题的存在，臭氧催化氧化技术也在不断地发展不断地进步。目前高级催化氧化处理有机废水技术主要包括：O3/H2O2法，O3/UV法，臭氧/活性炭法，均相和非均相催化臭氧化法。O3/H2O2是一种有效降解废水中污染物的高级氧化过程。该方式可直接将污染物氧化为CO2和H2O，且过程中不会产生二次污染，还可将臭氧单独无法氧化的有机物降解。该法可用于净化饮用水和造纸、印染、焦化等废水的处理。但该法臭氧利用率低、消耗量大，对COD的去除率不高，只能达到70%。O3/UV是利用臭氧在紫外光的照射下，分解产生活泼的次生氧化剂来氧化有机物的处理方法。另外，紫外光的照射还可以使有机物形成大量活化分子，为有机物的氧化具备更有效的条件。所以该法具有氧化能力强，反应无选择性等优点，对COD的去除率可达85%以上[2]。但该法需要安置紫外灯和相应的配套设备，所以装置成本高，不容易实现工业化。臭氧/活性炭是在含有臭氧的废水中悬浮一些活性炭，在水相中会引发链反应，并加速臭氧转化为羟基自由基，由此导致了类似于O3/H2O2或O3/UV的高级氧化过程。该法的氧化能力不如O3/H2O2或O3/UV，而且活性炭不容易再生，活性炭消耗量大。均相催化臭氧氧化就是向废水中加入一定浓度的过渡金属离子如：Fe2+、Mn2+、Ni2+、Co2+等，随后再向废水中通入臭氧，在过渡金属离子的催化作用下臭氧发生降解反应生成羟基自由基，从而对废水中有机物进行氧化，去除污染物。该法COD的去除率可以达到78%以上，但需要消耗药剂，对金属离子要有后续处理，如果处理不好会造成二次污染[3]。
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