一种基于能耗（ee/o）计算紫外高级氧化工艺氧化剂最佳投加浓度的方法
阅读说明：本技术 一种基于能耗（ee/o）计算紫外高级氧化工艺氧化剂最佳投加浓度的方法 (Method for calculating optimal adding concentration of oxidant in ultraviolet advanced oxidation process based on energy consumption (EE/O) ) 是由 孙佩哲 孟坛 罗芮桓 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于环境工程水处理领域,具体涉及一种基于能耗(EE/O)计算紫外高级氧化工艺氧化剂最佳投加浓度的方法。主要包括：两个用于计算紫外高级氧化工艺氧化剂最佳投加浓度(基于能耗)的简单公式。本发明为工程应用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,并为基于紫外的高级氧化工艺在工程上的推广应用提供理论指导。(The invention belongs to the field of water treatment in environmental engineering, and particularly relates to a method for calculating the optimal adding concentration of an oxidant in an ultraviolet advanced oxidation process based on energy consumption (EE/O). The method mainly comprises the following steps: two simple formulas for calculating the optimal adding concentration (based on energy consumption) of the oxidant in the ultraviolet advanced oxidation process. The invention provides a simple calculation method for optimizing the adding concentration of the oxidant in the ultraviolet-based advanced oxidation process in engineering application, and provides theoretical guidance for the popularization and application of the ultraviolet-based advanced oxidation process in engineering.)
技术领域
本发明属于光催化降解有机微污染物领域，具体涉及一种基于能耗(EE/O)计算紫外高级氧化工艺氧化剂最佳投加浓度的方法。
背景技术
药物类污染物、嗅味物质、内分泌干扰物、消毒副产物、藻毒素等有机微污染物对饮用水水质的威胁已受到广泛。这些有机微污染物不仅对水生态产生严重影响，而且严重危害了人类的健康。基于紫外的高级氧化工艺(UV-based AOPs)因其可以有效的去除水中的有机污染物而受到广泛关注。
UV-based AOPs通常使用化学氧化剂，如过氧化氢(H2O2)、游离氯(FAC)、过氧二硫酸盐(PDS)、一氯胺(NH2Cl)等，结合紫外线照射，产生高活性的自由基可以有效的削减水中的污染物。能耗的优化是基于紫外的高级氧化工艺在水处理领域的一个重要课题，其中EE/O(kWh·L-1)值是UV-based AOPs在工程应用中最常用的评价指标。在工程应用中，EE/O通常根据氧化剂投加剂量和电能消耗剂量两者共同进行优化，以最小的运行成本达到处理目标。然而，由于缺乏对工艺优化的理论研究，UV-based AOPs在工程上的应用一般都是针对水厂要求逐一进行优化，这就限制了其在工程上的大范围推广应用。
综上所述，亟需一种简单高效的方法来基于能耗(EE/O)对工程应用中紫外高级氧化工艺的氧化剂投加浓度进行优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于能耗(EE/O)计算紫外高级氧化工艺氧化剂最佳投加浓度方法，推导得到一个公式，为工程应用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，并为UV-based AOPs在工程上的推广应用提供理论指导。
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：提供一种基于能耗(EE/O)计算紫外高级氧化工艺氧化剂最佳投加浓度方法，包括以下步骤：
在工程应用中，EE/O一般由两部分组成：氧化剂的消耗量(EE/OOxidant)和电能的消耗(EE/OUV)：
其中，P(kWh·s-1)是紫外灯的能量输入，t(s)是反应时间，V(L)是反应体积，Ci和Cf(M)分别是污染物的初始和最终的浓度，Coxidant(mM)氧化剂的投加浓度；α(kWh·mmol-1)是氧化剂转化为能耗的转化系数。
1.首先以只产生·OH作为单一PRS的UV/H2O2为例，基于EE/O推导得到一个计算UV/H2O2最佳氧化剂投加浓度的公式：
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)：
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(ScavengingEffect，S.E.)共同决定，在工程应用中UV/H2O2体系中[·OH]ss可以表达为：
将公式2和3带入公式1可以得到：
其中β是将紫外灯输出能量转为UV光强(I，Einstein·L-1·s-1)的转化系数。
通常，基于UV高级氧化工艺的EE/O值通常根据氧化剂投加浓度和紫外灯的能耗共同进行优化。但在国内的水处理厂中，紫外是应用最广泛的消毒技术之一。但是针对已经建好的水厂，其UV灯管分布以及水力停留时间都是固定的，因此EE/O的值主要取决于氧化剂的投加浓度。公式4是一个关于氧化剂投加浓度的函数，随着氧化剂投加浓度的增加EE/O呈现先增大后减小的趋势。产生最小的EE/O值的氧化剂的浓度就是针对能耗而言最佳的氧化剂投加浓度(Copt-EE/O)。因此，对公式4进行求导并将其值设为零：
在工程应用中，H2O2的浓度一般在10-3M或者更小，因此(C2·β·I·t+2·C3·α)·ε＜＜Ab·C2α，公式5可以简化为
2.303·(Ab·C2α·k·OH/Oxidant+C2·Sc·α·ε-Ab·I·Sc·β·t)＝0 (6)
进而得到计算Copt-EE/O的公式：
2.推广到其他的基于紫外的高级氧化工艺
本发明通过动力学模型拟合了UV/H2O2体系中不同氧化剂浓度在某特定处理工艺(I＝1×10-7Einstein·L-1·s-1，水力停留时间＝300s)条件下的[OH]ss，并带入公式4得到其对应的EE/O值，结果表明通过Copt-EE/O(公式7)计算得到氧化剂投加浓度对应的EE/O值最小(图1)，这一结果验证了我们公式的准确性。应用相同的方法，我们发现基于UV/H2O2推导得到的Copt-EE/O公式(公式7)可以推广应用到其他的基于紫外的高级氧化工艺中(包括UV/自由氯、UV/过硫酸盐)(图1)。对于UV/氯胺而言，(C2·β·I·t+2·C3·α)·ε和Ab·C2α值在一个数量级，因此公式5可以简化为
2.303·(2·Ab·C2α·k·OH/Oxidant+C2·Sc·α·ε-Ab·I·Sc·β·t)＝0 (8)
进而得到计算Copt-EE/O的公式：
通过相同的动力学模型的方法验证发现，在UV/NH2Cl体系中应用公式9计算得到的氧化剂投加浓度对应的EE/O值最小(图1)。
综上，使用公式7(适用于UV/H2O2、UV/FAC、UV/PDS)或者公式9(适用于UV/NH2Cl)可以计算得到基于能耗的氧化剂的最佳投加浓度(Copt-EE/O)。
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能耗(EE/O)计算紫外高级氧化工艺氧化剂最佳投加浓度的方法，应用该方法推导得到的公式可以测得紫外高级氧化工艺中产生最小能耗(EE/O)的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指导。
2)本发明推导得到的计算Copt-EE/O的公式可以推广应用到其他的基于紫外的高级氧化工艺(如UV/FAC、UV/PDS、UV/NH2Cl)，为其在工程上的能耗优化提供了一种简单的方法。
3)本发明推导得到基于EE/O计算氧化剂最佳投加浓度的公式为不同的紫外高级氧化工艺的对比提供了一个简单方法。
附图说明
图1是不同氧化剂对应的EE/O值的变化图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
实施例1
结合附图，通过实施例进一步说明本发明。
本实施例选取湖水/河水样品，以水中常见的嗅味污染物土臭素(GSM)为目标污染物，通过公式测定这一水样在不同紫外高级氧化工艺中的Copt-EE/O，具体步骤如下：
1)湖水/河水样品过0.45μm水系滤膜待用。
2)使用紫外分光光度计测得水样的Ab(cm-1)分别为0.13。
3)通过实验测得水样的Sc(s-1)分别为3.39×105。
4)通过查阅文献得到H2O2、FAC、NH2Cl、PDS的摩尔吸光系数ε(M-1·cm-1)分别为18.6、62、382、22。
(5)通过查阅文献得到H2O2、FAC、NH2Cl、PDS和·OH的二级反应速率常数k(M-1-s-1)分别为：2.70×107、2.00×109、5.10×108、1.40×107。
(6)通过查阅文献和计算得到α(2.27×10-4H2O2、6.03×10-4FAC、1.19×10-3NH2Cl和1.64×10-3PDS，kWh·mmol-1)；β为0.523。
(7)通过文献查阅GSM和·OH、·Cl和·SO4 -的二级反应速率常数分别为1.10×1010、2.74×109、9.99×108M-1·s-1
(8)将上述数值带入公式7和9，即可得到水样在H2O2、FAC、NH2Cl、PDS的基于能耗的氧化剂最佳投加浓度为5.56×10-4、3.17×10-5、4.72×10-5、2.14×10-4M，其对应的EE/O分别为7.13×10-3、8.07×10-3、1.40×10-2、2.86×10-2kWh·L-1。
本实施方案结果如下：
根据公式分别计算选定水样在不同紫外高级氧化工艺中的氧化剂的最佳投加浓度，如图1所示：相同水样在不同紫外高级氧化工艺中的最佳氧化剂投加浓度一般遵循如下规律：HOCl＜NH2Cl＜PDS＜H2O2。
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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