臭氧工業(yè)應(yīng)用中能量消耗分析
廢水臭氧化的能耗主要取決于臭氧的產(chǎn)生和氣液接觸反應(yīng)的維持。理論上,生產(chǎn)1200 g臭氧的用電量為1千瓦時(shí)電力,對(duì)應(yīng)的能耗為0.82千瓦時(shí)/kg O3 (Alonso et al. 2005)。然而,在現(xiàn)實(shí)中,只有一小部分電力被用來(lái)產(chǎn)生臭氧,而大部分以熱的形式消耗,當(dāng)氧氣含量較低的空氣被送入時(shí),電力損失更為顯著。例如,Eliasson et al. (1987),根據(jù)玻爾茲曼方程計(jì)算出氧氣進(jìn)料臭氧產(chǎn)率很高為33% (400 g O3/kWh),干燥空氣進(jìn)料臭氧產(chǎn)率很高為17% (200 g O3/kWh)。然而,實(shí)際臭氧發(fā)生器在充入純氧時(shí)的臭氧生成效率約為130 g O3/kWh,遠(yuǎn)低于熱力學(xué)計(jì)算(Chang et al. 1991),但在特定運(yùn)行條件下可以達(dá)到較高的臭氧生成效率。因此,大約10%的電能被用于臭氧的產(chǎn)生,主要是受無(wú)聲放電過(guò)程副反應(yīng)的限制。在經(jīng)濟(jì)方面,臭氧生產(chǎn)成本估計(jì)為2.32 $/kg O3,工業(yè)用電收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為0.093 $/ kWh,因此產(chǎn)生臭氧的電耗約為25 kWh/kg O3,由空氣供應(yīng)(He et al. 2003)。
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上圖:專(zhuān)為工業(yè)廢水的深??度處理設(shè)計(jì)的中試規(guī)模的臭氧/紫外線流化床反應(yīng)器的示意圖(A)和實(shí)際圖(B)(1:儲(chǔ)罐,2-3:臭氧/紫外線流化床反應(yīng)器, 4:濾池,5:尾氣破壞反應(yīng)器,6:噴射泵,7:紫外線燈,8:空氣壓縮機(jī),9:臭氧發(fā)生器,10:樣品入口,11:樣品出口,12:臭氧空氣,13:氣體入口14:尾氣出口;改編自Lin et al.2014a)。
下圖:用于連續(xù)流廢水處理的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的PCD設(shè)備的示意性配置(經(jīng)過(guò)Ajo等人2015的許可改編。美國(guó)化學(xué)會(huì)2015年版權(quán)所有)。
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除了維持接觸反應(yīng)外,還涉及將氣態(tài)臭氧從臭氧發(fā)生器傳輸?shù)椒磻?yīng)器,以及由臭氧氣泡驅(qū)動(dòng)的氣體攪動(dòng)還消耗大量的能量用于廢水臭氧化。據(jù)分析,對(duì)于費(fèi)城貝爾蒙特水處理廠的臭氧處理系統(tǒng),臭氧產(chǎn)生,臭氧與水的接觸,設(shè)備維護(hù)和預(yù)熱系統(tǒng)的能耗比分別為67.1%,21.2%,8.9%和2.8。相對(duì)于總能量輸入的百分比(Bean 1959)。很近,越來(lái)越多的研究嘗試通過(guò)與其他物理化學(xué)技術(shù)的結(jié)合來(lái)降低與有機(jī)污染物進(jìn)行臭氧化的能效,有機(jī)污染物的定義是與其他物理化學(xué)技術(shù)相結(jié)合,這是指單位質(zhì)量污染物或去除的DOC所消耗的能量,與表11相比。觀察到的協(xié)同效應(yīng)與非催化臭氧化相比,組合技術(shù)可以增強(qiáng)自由基種類(lèi)的產(chǎn)生,從而消除污染物,因此可以提高相同能量輸入下的能源效率。 Mehrjouei等(2014年)表明,通過(guò)光催化臭氧化(TiO2 / UVA / O3)去除單位濃度草酸的能量效率分別比催化臭氧化(TiO2 / O3)和光催化(TiO2 / UVA / O2)低兩倍和九倍?;旧险f(shuō)來(lái),TiO2 / UVA / O3產(chǎn)生很高的˙OH收率,這是由于臭氧顯著地捕獲了導(dǎo)電電子,從而能夠抑制光生電荷的復(fù)合?;诔粞醯募夹g(shù)的能源效率也可以通過(guò)每單位質(zhì)量DOC所消耗的能量來(lái)評(píng)估。 Kopf等(2000年)報(bào)道TiO2 / UV / O3,TiO2 / UV和O3降解一氯乙酸的能量效率分別為5.4、19和110 kWh / g DOC,這歸因于負(fù)責(zé)任的聯(lián)合技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)。用于改善˙OH的生成。