基于阶段反应理论的有机污染物电催化氧化动力学研究

填充床电化学技术是有效治理高有机物浓度、高色度和高盐量化工废水的可行途径；然而，反映流固、流场-电场耦合特征和有效预测污染物浓度变化规律模型的匮乏成为制约该工艺推广应用的主要瓶颈。本研究着重解决如下科学问题：引入计算流体力学并考虑边壁效应、水力学与电化学耦合机制进行床层污染物传质性能的实时表征；建立基于反应控制、复相控制和扩散控制步骤的"阶段反应理论"模型；同时，以多种形稳阳极作为电荷载体，结合液相色谱和循环伏安特性分析等现代实验手段研究各种控制步骤下有机物降解路线及填料种类、阳极材料之间的耦合机理。本项目旨在以可预测的反应模式精确表征床层各点传质进程及有机污染物浓度变化规律，构建有机污染物催化氧化进程与操作条件、反应介质物化属性和反应器构型之间的定量函数关系，以期揭示填充床电化学反应器的丰富动力学现象，为有机物降解过程的电流效率和能耗预估、反应器的优化设计和运行奠定理论和技术基础。

填充床电化学技术是有效治理高有机物浓度、高盐量和高色度化工废水的可行途径；然而，反映流固、流场—电场耦合特征和有效预测污染物浓度变化规律模型的匮乏成为制约该工艺推广应用的主要瓶颈。借助2009年国家自然科学基金资助，本课题按预定计划就如下主要内容进行了系统研究：综合考虑水力学特性、反应器几何构型、液相物化属性和操作电流密度之间内在联系的污染物传质特性建模；基于反应控制、复相控制、传质控制精确描述的阶段反应理论构建；探究流固、流电、固电多相耦合机制的电势、电流、反应速率非线性分布规律，进行与有机污染物种类相关联的阳极、填料制备及优选。针对上述科学问题，经过3年的研究，获得的原创性理论成果主要为3项，即阶段反应理论、通用能量模型和填充床电极反应器优化设计模式。以这些理论为基础，可开展如下工作：充分考究反应器内壁、填料及电极表面对液相污染物边壁效应影响的有机物传质系数精确计算；结合流场、电场内在耦合微观动力学的阳极与填料制备及性能比对策略确立、荷能输移载体类型优选、床层拓展能力定量计算及与电荷输移机制相一致的电流效率准确计量；通用能量模型指导下床层极板间距、平面几何尺寸的优化设计；基于阶段反应理论的已定反应器构型时床层各点污染物浓度、电流效率、电耗精确预估及与废水物化属性相关联的操控、运行、管理方案的制定。本项目所获得成果深化了人们对有机污染物氧化降解过程中微观反应的认识，克服了当前电化学反应器设计无章可循、无法开展优化设计和不能有效预估污染物处理效率和电耗的困难，在解决电化学水处理反应器工程应用中理论匮乏的行业性难题的同时，亦为反应器中流固、流电耦合场特性挖掘和各种水质情况下设计、运行、管理体系的建立提供科学而实用的理论依据，也能把现代自控技术和设备管理自然的糅合为一有机整体。在本项目实施过程中，培养1名博士后和4名硕士研究生，本研究方向在读博士、硕士研究生分别为2人、8人；在国内外期刊发表论文14篇（含录用3篇），其中SCI收录7篇，EI收录9篇（次）；已录用论文中1篇为EI源期刊；参加国际学术会议1人（次）；2项发明专利申请在进行中。