陶瓷膜臭氧曝气强化传质工艺优化研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0859

摘要/Abstract

摘要：

臭氧氧化技术存在气液传质效率低、臭氧利用率不高等问题，改进臭氧的曝气条件是强化臭氧传质效率的重要方法。进行了陶瓷膜臭氧曝气的试验研究，表征了陶瓷膜的微孔性与形态结构，探究了不同操作条件对臭氧传质效率的影响。结果表明：臭氧传质系数随进气流量、气相臭氧质量浓度的增加先增大后减小，最佳条件：进气流量为0.4 L/min，气相臭氧质量浓度为28 mg/L。陶瓷膜表面疏水改性可以提升臭氧传质效率，臭氧溶解度及传质效率随膜孔径的减小而增大，随着曝气压力从0.1 MPa提高到0.5 MPa，臭氧传质效率先增大后减小，最佳的曝气压力约为0.3 MPa，并基于杨氏方程分析了陶瓷膜加压曝气强化臭氧传质的机理。

关键词: 臭氧工艺, 陶瓷膜, 曝气, 传质效率

Abstract:

Ozonation technology has problems such as low gas-liquid mass transfer efficiency and low ozone utilization. The improvement of ozone aeration conditions is an effective approach to enhance ozone mass transfer. In this regard, an experimental study of ozone aeration with ceramic membranes was carried out to characterize the microporosity and morphological structure of ceramic membranes, and to investigate effects of different operating conditions on ozone mass transfer. The results showed that the ozone mass transfer coefficient firstly increased and then decreased with the increase of inlet gas flow rate and gas-phase ozone concentration. The optimal conditions were 0.4 L/min and 28 mg/L. The hydrophobic modification of ceramic membrane surface could enhance the ozone mass transfer efficiency. Ozone solubility and mass transfer efficiency increased with the decrease of membrane pore size. With the increase of aeration pressure from 0.1 MPa to 0.5 MPa, the ozone mass transfer efficiency firstly increased and then decreased, and the optimal aeration pressure was about 0.3 MPa. The mechanism of ceramic membrane pressurized aeration to strengthen the ozone mass transfer was analyzed based on Young-Laplace equation.

Key words: ozonation process, ceramic membrane, aeration, mass transfer efficiency

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I8/61

图/表 19

图1 臭氧曝气试验装置

Fig.1 Ozone aeration experimental device

表1 陶瓷膜参数

Table 1 The parameters of ceramic membrane

陶瓷膜	平均孔径/nm	外径/mm	内径/mm	长度/mm	孔隙度/%
1号	100	12	8	100	29.34
2号	2 000	25	16	100	30.75

图2 两种陶瓷膜图片（a）和1号陶瓷膜截面（b）的SEM

Fig.2 Images of two ceramic membranes（a） and SEM image of section of No. 1 ceramic membrane（b）

图3 陶瓷膜外表面的SEM

Fig.3 SEM of outer surfaces of ceramic membranes

图4 两种陶瓷膜外表面的EDS图谱

Fig.4 EDS spectra of outer surfaces of two ceramic membranes

图5 进气流量对液相臭氧质量浓度的影响

Fig.5 Effects of inlet flow rates on liquid phase ozone massconcentrations

表2 不同气体流量下的k _L a

Table 2 Ozone volume mass transfer coefficients at different gas flows

气体流量/（L·min^-1）	k _L a/min^-1	R ²
0.1	0.162 2	0.985
0.2	0.213 2	0.992
0.4	0.315 1	0.987
0.6	0.272 8	0.981

图6 入口气相臭氧质量浓度对液相臭氧质量浓度的影响

Fig.6 Effects of inlet ozone concentrations on liquid phase ozone concentrations

表3 不同入口气相臭氧质量浓度下的k _L a

Table 3 Ozone volume mass transfer coefficients at different inlet ozone concentrations

气相臭氧质量浓度/（mg·L^-1）	k _L a/min^-1	R ²
15	0.102 9	0.988
21	0.127 2	0.994
28	0.213 2	0.998
35	0.169 9	0.992

图7 膜表面接触角测定结果

Fig.7 Contact angles of membrane surfaces

图8 曝气膜亲疏水性臭氧传质的影响

Fig.8 Effects of hydrophilic ozone mass transfer on aerated membranes

图9 曝气膜亲疏水性对废水COD去除效果的影响

Fig.9 Effects of hydrophilicity of aerated membrane on COD removal in wastewater

图10 曝气头孔径对液相臭氧质量浓度的影响

Fig.10 Effects of aeration head pore sizes on liquid ozone concentrations

图11 不同曝气头孔径下COD去除情况对比

Fig.11 Comparison of COD removal under different aeration head pore sizes

表4 不同曝气头孔径下的k _L a

Table 4 Ozone volume mass transfer coefficients at different aeration head apertures

曝气头孔径	1号（100 nm）	2号（2 μm）	3号（20 μm）
k _L a/min^-1	0.206 8	0.162 2	0.119 8
R ²	0.99	0.985	0.991

图12 不同曝气头孔径下COD去除动力学拟合对比

Fig.12 Comparison of COD removal kinetic fit under different aeration head pore sizes

图13 不同孔径曝气膜气泡点压力计算值与测定值对比

Fig.13 Comparison of calculated and measured bubble point pressure of aeration membrane with different pore sizes

图14 不同曝气压力下液相臭氧质量浓度变化曲线

Fig.14 Change curves of liquid phase ozone concentration under different aeration pressures

表5 不同曝气压力下的进气流量变化

Table 5 Changes of inlet flow under different aeration pressures

曝气压力/MPa	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5
进气流量/（mL·min^-1）	42	77	110	148	185

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