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臭氧工业应用中能量消耗分析

发布日期:2021-04-16 09:28 浏览次数:

臭氧工业应用中能量消耗分析

      废水臭氧化的能耗主要取决于臭氧的产生和气液接触反应的维持。理论上,生产1200 g臭氧的用电量为1千瓦时电力,对应的能耗为0.82千瓦时/kg O3 (Alonso et al. 2005)。然而,在现实中,只有一小部分电力被用来产生臭氧,而大部分以热的形式消耗,当氧气含量较低的空气被送入时,电力损失更为显著。例如,Eliasson et al. (1987),根据玻尔兹曼方程计算出氧气进料臭氧产率最高为33% (400 g O3/kWh),干燥空气进料臭氧产率最高为17% (200 g O3/kWh)。然而,实际臭氧发生器在充入纯氧时的臭氧生成效率约为130 g O3/kWh,远低于热力学计算(Chang et al. 1991),但在特定运行条件下可以达到较高的臭氧生成效率。因此,大约10%的电能被用于臭氧的产生,主要是受无声放电过程副反应的限制。在经济方面,臭氧生产成本估计为2.32 $/kg O3,工业用电收费标准为0.093 $/ kWh,因此产生臭氧的电耗约为25 kWh/kg O3,由空气供应(He et al. 2003)。

上图:专为工业废水的深​​度处理设计的中试规模的臭氧/紫外线流化床反应器的示意图(A)和实际图(B)(1:储罐,2-3:臭氧/紫外线流化床反应器, 4:滤池,5:尾气破坏反应器,6:喷射泵,7:紫外线灯,8:空气压缩机,9:臭氧发生器,10:样品入口,11:样品出口,12:臭氧空气,13:气体入口14:尾气出口;改编自Lin et al.2014a)。

下图:用于连续流废水处理的实验室规模的PCD设备的示意性配置(经过Ajo等人2015的许可改编。美国化学会2015年版权所有)。

 

       除了维持接触反应外,还涉及将气态臭氧从臭氧发生器传输到反应器,以及由臭氧气泡驱动的气体搅动还消耗大量的能量用于废水臭氧化。据分析,对于费城贝尔蒙特水处理厂的臭氧处理系统,臭氧产生,臭氧与水的接触,设备维护和预热系统的能耗比分别为67.1%,21.2%,8.9%和2.8。相对于总能量输入的百分比(Bean 1959)。最近,越来越多的研究尝试通过与其他物理化学技术的结合来降低与有机污染物进行臭氧化的能效,有机污染物的定义是与其他物理化学技术相结合,这是指单位质量污染物或去除的DOC所消耗的能量,与表11相比。观察到的协同效应与非催化臭氧化相比,组合技术可以增强自由基种类的产生,从而消除污染物,因此可以提高相同能量输入下的能源效率。 Mehrjouei等(2014年)表明,通过光催化臭氧化(TiO2 / UVA / O3)去除单位浓度草酸的能量效率分别比催化臭氧化(TiO2 / O3)和光催化(TiO2 / UVA / O2)低两倍和九倍。基本上说来,TiO2 / UVA / O3产生最高的˙OH收率,这是由于臭氧显着地捕获了导电电子,从而能够抑制光生电荷的复合。基于臭氧的技术的能源效率也可以通过每单位质量DOC所消耗的能量来评估。 Kopf等(2000年)报道TiO2 / UV / O3,TiO2 / UV和O3降解一氯乙酸的能量效率分别为5.4、19和110 kWh / g DOC,这归因于负责任的联合技术的协同效应。用于改善˙OH的生成。

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