水射流空化联合光催化处理难降解有机物的新方法研究

Photocatalytic method can effectively degrade various organic pollutants in solution. However, in practical application, some problems are encountered such as limitation of mass transfer, agglomeration and deactivation of photocatalysts, which could reduce the processing efficiency significantly with continuous operation. Water jet cavitation is a green technology for wastewater treatment emerging in recent years. This method is performed without addition of chemicals so that secondary pollutions can be avoided. Water flowing through a nozzle with high speed can generate cavitation, which is called water jet cavitation. This technology has many merits, such as generating high temperature and high pressure in moderate conditions, enhancing mass transfer by turbulence and microjet co-generated, reducing the loading of photocatalyst, and being suitable for large-scale application. In this project, a new method of photocatalysis combined with water jet cavitation is proposed. Cavitation phenomena and sound characteristics generated by water jet would be studied by microscopic images and acoustic detection, respectively. The effect of experimental conditions should be investigated. Stucture and concentration of organic pollutants, solution pH and inorganic salts will be taken into account to study the surface morphology of photocatalyst and the adsorption-desorption process of pollutants. Then the synergistic mechanism between water jet cavitation and photocatalysis could be explored. This research will expand a new area for the development of water jet cavitation, and provide a new way for the industrial application of photocatalytic technology.

光催化能有效降解水中的多种有机污染物，但在实际应用中会出现传质受限、催化剂团聚和失活等问题，大大降低其处理效率。水射流空化是一种无需添加化学试剂、绿色环保的水处理技术，其在环境污染治理方面的研究尚处于起步阶段。高速流动的水体在喷嘴内会出现空化现象，即水射流空化。该技术具有无需应用严苛的条件就能产生局部的高温高压、湍流和微射流能增强溶液传质、能减少所需试剂的投加量、易实现规模化应用等优点。本项目将水射流空化与光催化技术结合，用微观影像和声波检测的方法，研究水射流产生的空化现象和声谱特征，并探索其受实验条件的影响。通过改变污染物的种类、浓度、溶液的酸碱性和无机盐介质，研究光催化材料的表面形态和污染物质的吸附-更新过程，阐释水射流空化对光催化处理的协同机制，为水射流空化技术的发展拓展新领域，为光催化技术的工业化应用提供新途径。

水射流空化法设备简单、无需施加化学试剂和高温高压，易于实现和维护，具有其他水处理方法无可比拟的优势，其在环境领域的应用也正处于起步阶段。然而，水射流空化的技术特点未得到深入研究。本项目针对这一问题，从空化泡(群)运动规律的可视化和空化伴生超声波频谱检测两个角度，对不同尺寸空化器下的水射流空化过程和效应进行探讨，揭示其特点。结果显示：水射流空化伴生的超声波具有较高能量，能进一步降解污染物；纳米级催化剂微粒的存在阻碍空化泡的规律运动；空化器的尺寸(喉部直径、扩张角)影响空泡数量和运动周期，以及伴生声波的能量和频率分布。该研究进一步完善了水力空化的作用机理，揭示了其运行规律，这对水射流空化的理论研究和实际应用都有重要的指导意义。. 针对光催化法连续运行过程中催化剂易失活、光解效率易受溶液传质限制等问题，本项目提出将水射流空化应用于光催化技术中，通过电镜扫描技术分析了其对光催化剂聚集态的影响；探讨了污染物种类、初始浓度、光催化剂投加量、溶液酸碱性和无机盐介质共存等多种实验条件的影响。结果显示：水射流空化的单独作用对污染物的降解效果甚微；水射流空化能强化大分子有机物(如染料、抗生素)的光催化降解反应，对小分子有机物(如苯酚)的光催化过程无明显的促进作用；水射流空化对光催化剂有着持续的解聚集和分散作用；水射流空化和光催化的联合使用，能大大提高污染物的降解效率，具有显著的耦合效应。在本项目的研究条件下，该联合方法对染料降解的协同系数为2.9；对四环素降解的协同系数随四环素初始浓度由10 mg/L升至80 mg/L，由1.9升至4.2，说明其更适用于浓度较高的四环素废水的治理。通过自由基捕获、紫外可见光谱、红外光谱和液相色谱-质谱联用等分析手段，探讨水射流空化和光催化联合体系的作用机理，分析有机物在该联合处理过程中的主要产物和降解路径。结果显示，针对这些水溶性高、蒸气压低的大分子有机污染物(如染料、抗生素)，羟基自由基的氧化反应是其主要的反应机理；水射流空化产生的物理化学效应(如伴生的微射流、冲击波和产生的·OH等自由基)仅是对光催化反应过程的强化和协同，不改变有机物的光催化降解产物和路径。该研究揭示了水射流空化与光催化的联合作用机理和反应机制；为光催化技术的工业化应用提供新途径；为水射流空化与光催化，以及与非均相体系的联合应用提供了理论依据和实践基础。