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本课题根据目前光催化反应器装置在废水处理中存在的问题,包括磁场作用和光催化反应的现状以及现有光磁耦合废水处理装置存在的不足,提出了基于旋转磁场强化的光磁耦合多效废水处理技术。这种新型的废水处理技术是磁场作用和光催化作用的有机结合,在光磁耦合的过程中,外加旋转磁场能够增加光催化反应过程中产生的羟基自由基数量,并且能够延长其存在时间,而且减慢羟基自由基从三重态向单重态跃迁过程,而且磁场旋转时能够促进光催化剂在废水中的均匀分散和对光的充分利用,这些作用能够大大提高废水中的羟基自由基数量和光催化剂活性,从而提高光催化反应的速率。顺磁性光催化剂在一定强度的磁场中能够有序的排列,有利于其在废水溶液中均匀分散。旋转磁场与光催化反应耦合,能够充分有效地降解废水中的有机污染物。光磁耦合反应均不产生二次污染,是一项高效地,清洁废水处理技术而且以磁铁作为磁场产生来源,能够节约能源。 本研究主要开展了三方面的工作:其一,设计开发了新型的旋转磁场光磁耦合废水处理反应器;其二,设计制备了适用于该反应器的一种新型磁性光催化剂;第三,利用上述开发的新型反应器和磁性光催化剂对亚甲基蓝废水进行了试验研究,验证了反应器的运行效果和催化剂的催化性能。取得的主要研究成果如下: 根据磁场作用和光催化反应的理论,设计开发出一种旋转磁场光磁耦合废水处理装置,并对光反应器内部的流场进行模拟分析,结果表明转速为0.2 rad/s时,流体流速偏低,没有实际应用意义;转速为0.5,1rad/s时,各有优势。在转速为0.5 rad/s时,反应器内的流体流动主要是轴向流,并在整个反应器内循环流动,但紊动动能弱;而在转速为1 rad/s时,流速较大,分布比较均匀,但流体以涡旋方式流动,不利于废水的处理。 本研究制备了一种新型的磁性纳米光催化剂ZnO/Ni0.3Zn0.7Fe2O4颗粒,并研究其磁分离性能和光催化活性。光催化剂ZnO/Ni0.3Zn0.7Fe2O4颗粒是以顺磁性材料镍锌铁氧体为磁核,再在其表面通过均相沉淀法在其表面包裹一层半导体光催化剂ZnO的复合磁性纳米光催化剂。通过XRD和TEM等测试技术对样品进行了表征,结果表明成功制备了形状规则的柱型纳米光催化剂颗粒。通过光催化对比实验,发现制备的磁性纳米光催化剂比普通的ZnO材料有着更高的光催化活性,对亚甲基蓝溶液的降解率为82%。通过研究磁性光催化剂在磁场下的反应,发现其具有良好的可磁分离性质,而且重复使用3次后还能保持较高的光催化活性。 利用上述开发的反应器和催化剂,研究了磁场强度、磁场转速、反应时间和催化剂投加量对亚甲基蓝废水降解率影响,由试验结果可知,在磁场强度为50 mT,转速为70 r·min-1,反应时间为120 min,复合磁场光催化剂的投加量为1.2g·L-1时,光磁耦合处理系统反应对初始质量浓度为10 mg·L-1的亚甲基蓝溶液的降解率达到93.02%。 总之,旋转磁场光磁废水处理装置的开发以及该技术理论的提出为废水处理处理提供了一种新的思路和装置,并为在今后的实际应用中提供了理论依据。