发明内容

本发明的目的在于提供一种基于初级自由基计算紫外高级氧化工艺氧化剂理论最佳投加浓度的方法，推导得到一个简单公式，为水处理中基于紫外的高级氧化工艺氧化剂投加浓度的优化提供一种简单的计算方法，为工程应用中紫外高级氧化工艺的优化和挑选提供理论参考

本发明为解决现有技术中提出的技术问题提出的第一个技术方案是：提供一种基于初级自由基计算紫外高级氧化工艺氧化剂理论最佳投加浓度的方法，包括以下步骤：

1)首先以只产生·OH作为单一PRS的UV/H₂O₂为例，基于初级自由基推导得到一个计算 UV/H₂O₂理论最佳氧化剂投加浓度的简单公式：

UV/H₂O₂对水中污染物的去除效果由体系中·OH的稳态浓度决定([·OH]_ss)，而体系中 [·OH]_ss由自由基的产生速率(Generation Rate，G.R.)与自由基的消耗速率(Scavenging Effect， S.E.)共同决定：

紫外光解H₂O₂可以产生·OH(以254nm波长为例)，其G.R.可以表达为：

其中，I₀(Einstein·L^-1·s^-1)表示在254nm下的光强，Φ(mol·Einstein^-1)表示H₂O₂在254nm下的量子产率，A_b(cm^-1)表示水质在254nm下的吸光，ε(M^-1·cm^-1)表示H₂O₂的摩尔吸光系数，l(cm) 表示反应器的有效光程.

在工程应用中，紫外反应器一般设计为带高反射面的圆柱形状，以保证尽可能多的光被反应体系吸收，由于光不断反射，一般认为紫外反应器的光程足够大，因此公式2可以简化为：

在紫外高级氧化水处理工艺中，自由基的消耗主要由水质对自由基的消耗能力(Scavenger capacity，S_c，s^-1))和氧化剂本身对自由基的消耗两部分组成。因此在工程应用中 UV/H₂O₂体系中[·OH]_ss可以表达为：

其中k(M^-1-s^-1)表示·OH和H₂O₂反应的二级速率常数，C(M^-1))表示氧化剂浓度。对于一个特定的处理目标水样，[·OH]_ss是一个关于H₂O₂浓度的函数，[·OH]_ss随着H₂O₂浓度的增加先增大后减小。产生最高的[·OH]_ss的H₂O₂的浓度就是这一目标水样的最佳的氧化剂投加浓度(C_{opt-theoretical})。因此，对公式4进行求导：

将求导公式的值设为零，就可以得到C_{opt-theoretical}的表达式：

在公式6中，A_b、ε和k可以通过简单测定或者文献查阅得到，因此只要我们测定得到水质的 S_c，就可以得到UV/H₂O₂处理某一水样的理论氧化剂最佳投加浓度。

2)推广到其他的基于紫外的高级氧化工艺

UV/H₂O₂只产生·OH作为其唯一的PRS。对于UV/PAA而言，·OH是其产生的主要PRS，因此基于[·OH]_ss推导得到的简单公式适用于UV/PAA。对于UV/FAC、UV/PDS、UV/NH₂Cl 而言，除·OH外其产生的PRS还包括·Cl或·SO₄ ^-。体系中的·OH包括两部分(TGR_·OH)：(1) 氧化剂直接光解产生的·OH和(2)·Cl或·SO₄ ^-转化生成的·OH。研究发现·Cl或·SO₄ ^-生成速率(dGR_·Cl或者dGR_·SO4-)与总的·OH的生成速率(TGR_·OH)成正比，也就是TGR_·OH/dGR_·Cl或者TGR_·OH/dGR_·SO4-比值α为定值(图1)。因此·OH的浓度变化可以用来代替PRS的浓度变化，基于[·OH]_ss推导得到的简单公式可以推广应用到其他产生多种PRS的UV-based AOPs。

有益效果：

本发明的有益效果在于：

1)本发明提出了一种基于初级自由基计算紫外高级氧化工艺理论最佳投加浓度的方法，应用该方法推导得到的公式可以快速准确的测得紫外高级氧化工艺的理论氧化剂最佳投加浓度，为紫外高级氧化在水处理方面的应用提供理论指导。

2)本发明推导得到的计算理论氧化剂最佳投加浓度的简单公式可以推广应用到其他新提出的基于紫外的高级氧化工艺(如UV/过氧甲酸、UV/NO₂ ^-、UV/PMS等)，为其在工程上的能耗提供了一种简单的评估方法。

3)本发明推导得到计算理论氧化剂最佳投加浓度的简单公式为基于紫外的高级氧化工艺的对比提供了一个简单方法。