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研究生:陳叡瑩
研究生(外文):Jui-Ying Chen
論文名稱:以COMSOL MULTIPHYSICS模擬光催化反應程序降解甲基藍及反應器設計
論文名稱(外文):Simulation and Verification of UV/TiO2 Photocatalytic Reactors for the Degradation of Methyl Blue Using COMSOL MULTIPHYSICS
指導教授:鄧宗禹鄧宗禹引用關係
指導教授(外文):Walter Den
口試委員:蘇弘毅陳鶴文鄧宗禹
口試委員(外文):Hung-Yi SuHo-Wen ChenWalter Den
口試日期:2012-07-09
學位類別:碩士
校院名稱:東海大學
系所名稱:環境科學與工程學系
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:168
中文關鍵詞:甲基藍光催化固定化COMSOL MULITIPHYSICS質量方程式動量方程式
外文關鍵詞:methyl bluephotocatalysisimmobilizedCOMOSL MULTIPHYSICSmass equationmomentum equation
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本研究主旨在發展高級氧化處理甲基藍溶液之光反應器設計,探討藉由反應成分之暫態質量平衡方程式,以及穩態的動量方程式,並經由不同反應條件(如紫外光源強度、曝氣與否及甲基藍濃度等)之批次及連續流實驗來驗證,並改變模擬條件(如流量及光反應器幾何尺寸等)後以軟體計算流體力學( Computational Fluid Dynamics, CFD )進行模擬,進而評估光反應器設計之可行性及合理性。
本研究是利用UV/TiO2程序處理甲基藍,以不鏽鋼網做為基材,用浸鍍( Dip Coating )方式,將TiO2披覆於基材上,加以改善粉末不易操作及回收困難的問題,由SEM及EDS等基本特性分析後可以得知,觸媒經過浸鍍程序後能夠均勻的分佈於載體上。再藉由批次及連續法實驗,探討不同的反應條件對甲基藍濃度的降解影響。此外,以COMSOL MULITIPHYSICSTM繪製不同幾何外形及尺規的光反應器,探討不同流量下光反應器處理甲基藍效能,以及反應器於不同高度中濃度的變化。
在UV/TiO2程序中,曝氣條件之有無影響甲基藍去除效率,曝氣( 150 mL/min )時其去除效率較佳於無曝氣狀況。當光源強度控制為1.8 mW/cm2,甲基藍去除效率受到本身初始濃度影響,初始濃度為1.6 mg/L及32 mg/L時,其反應效率為56×10-3及10.1×10-3 min-1,表示濃度提高而反應效率則降低。不同光強度1.8、1.2及0.6 mW/cm2下,甲基藍濃度為32 mg/L,甲基藍去除效率受到光源強度影響,其反應效率為10.1×10-3、8.9×10-3及7.9×10-3 min-1,表示光源強度提高能夠提升降解效率。
以COMSOL驗證不同甲基藍濃度,由批次實驗驗證結果顯示,當濃度愈低其實驗值及模擬值趨勢較為相近,但濃度愈高則偏差愈大,由於模擬值為理想之情況,而實際實驗時,高濃度條件則有光源及吸附量的影響,使得實驗值趨勢較為緩慢。模擬的結果表示,將反應器外形由圓形改變為方形,使得流場均勻的分佈而提升甲基藍去除效率。若是改變反應器尺度,主要是由標準型(圓形)反應器改變為寬形及窄形,其中寬形反應器由於流量愈高,相對的降低擴散效果,以致於大部分進流體積集中於反應器底部,而造成濃度累積影響到去除效率。而窄形反應器則是流體擴散較為均勻,使得甲基藍去除效率較佳,但是當流量愈高時,容易於反應器外側產生累積而無法擴散。因此,光催化反應器設計,由甲基藍去除效率比較不同尺度之反應器,其結果表示窄形 > 標準 > 寬形;而不同外形之反應器,其結果為方形 > 標準。

關鍵詞:甲基藍、光催化、固定化、COMSOL MULITIPHYSICSTM、質量方程式、動量方程式


The purpose of this study is to develop the design and simulation of photocatalytic reactors for the treatment of methyl blue (MB) wastewater by a homogeneous phase advanced oxidation process (AOPs). The model was built with the transient mass balance equation and the steady-state momentum equation, and was verified with both batch and continuous flow experiments under different operating conditions such as ultraviolet ( UV ) light intensity, aeration and feed concentration of methyl blue, A computational fluid dynamics ( CFD ) software in COMSOL MULITIPHYSICSTM was used to simulate and to assess the feasibility and rationality of the reactor design involving different hypothetical reactor configurations.
In the UV/TiO2 photocatalysis study, batch experiments were performed using various initial MB concentrations and light intensities to determine the reaction kinetics. With a fixed aeration rate of 150 mL/min and alight intensity of 1.8 mW/cm2, the first-order MB reaction rate for initial concentrations of 1.6 mg/L and 32 mg/L were 5.6×10-2 and 1.01×10-2 min-1, respectively, indicating that the reaction rate decreased with initial concentration., Also, the MB first-order reaction rates under the light intensities of 0.6 mW/cm2, 1.2 mW/cm2, and 1.8 mW/cm2 were 1.01×10-2 min-1, 8.9×10-3 min-1 and 7.9×10-3 min-1, respectively, showing that light intensity was a critical factor.

COMSOL verification study for the batch condition showed a close match between the experimental and simulated concentration profiles when the initial concentrations were low. Deviations were progressively larger when the initial concentration was increased, presumably due to the adversely effects such of light-shading and competitive adsorption, which were not considered in the simulation. The simulation results demonstrated that the square column reactor had more uniform flow distribution as compared to cylinder reactor having similar cross-section area. In addition, design with wide cylinder resulted in concentration accumulation near the base of the reactor due to inefficient dispersion. In contrast, narrow cylinder had an improved MB removal efficiency over the standard and wide cylinders, though accumulation near the reactor wall occurred when the flow velocity increased.

Keywords : methyl blue, photocatalysis, immobilized, COMOSL MULTIPHYSICS, mass equation, momentum equation

目錄
摘要 I
Abstract IV
目錄 VI
表目錄 X
圖目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2研究內容與目的 3
第二章 文獻回顧 5
2-1 光觸媒對甲基藍的影響 5
2-1-1 二氧化鈦基本性質與物理化學特性 5
2-1-2 二氧化鈦光觸媒反應機制與動力模式 7
2-2 光催化反應器種類與固定載體之選擇 17
2-2-1 光催化反應器與載體之類別 17
2-2-2 以浸鍍法製造含觸媒之載體 21
2-3 反應器模擬與設計 24
第三章 反應器模型設定與數值分析 27
3-1 反應器類型與基本假設條件 27
3-1-1 批次反應器之幾何模型 27
3-1-2 連續流反應器之幾何設定 30
3-1-3 基本假設條件 33
3-2 幾何方程式及邊界條件設定 34
3-2-1 批次反應 35
3-2-2 連續式反應器 36
3-3 模擬分析步驟 38
3-4 COMSOL模擬驗證及方法 40
第四章 實驗材料、設備與方法 41
4-1 實驗架構 41
4-1-1實驗流程與內容 41
4-2 實驗材料與設備 44
4-2-1實驗材料 44
4-2-2實驗設備 45
4-3實驗方法 48
第五章 結果與討論 55
5-1 二氧化鈦披覆特性分析 55
5-2 UV/TiO2覆膜光催化系統特性 59
5-2-1 前置實驗 59
5-2-2 直接光解實驗 60
5-2-3 載體的吸附測試 61
5-2-4 二氧化鈦吸附測試 64
5-3 以UV/TiO2程序處理甲基藍溶液 65
5-3-1 反應動力式推導 65
5-3-2 擬一階反應動力常數 (k’) 探討 67
5-4 UV/TiO2處理甲基藍效能分析及驗證 79
5-4-1 批次實驗驗證結果 80
5-4-2 連續實驗驗證結果 83
5-5 連續流模擬分析 85
5-5-1 方形與圓形反應器之比較 89
5-5-2 不同直徑之圓形反應器之比較 107
5-6 參數敏感性分析 125
5-6-1 物理參數 126
5-6-2 反應參數 132
第六章 結論與建議 136
6-1 結論 136
6-2 建議 138
參考文獻 140
附錄1:甲基藍檢量線 144
附錄2:口委意見回覆表 145

表目錄
表2-1 研磨漿液式及固定化光催化反應器優缺點之比較 21
表3-1 反應器規格表 32
表4-1 披覆基材物理特性 45
表5-1 EDS元素組成表 57
表5-2 染料濃度與初速率關係 68
表5-3 不同光強度其反應速率之比較 75
表5-4 不同光強度與初速率間關係 76
表5-5 不同濃度之實驗與模擬反應速率 82
表5-6 模擬參數值及單位換算 86
表5-7 COMSOL截取高度(H)切面位置 87
表5-8(a) 停留時間17.48 min隨標準型空間濃度變化之情形 90
表5-8(b) 停留時間5.82 min隨標準型空間變化之情形 92
表5-8(c) 停留時間1.44 min隨標準型空間變化之情形 94
表5-9 標準型反應器於不同停留時間(τ)之流量分析 96
表5-10(a) 停留時間17.48 min隨方型空間變化之情形 97
表5-10(b) 停留時間 5.82 min隨方型空間變化之情形 99
表5-10(c) 停留時間1.44 min隨方型空間變化之情形 101
表5-11 方型反應器於不同停留時間(τ)之流量分析 103
表5-12 (a) 停留時間17.48 min隨寬形空間變化之情形 108
表5-12 (b) 停留時間5.82 min隨寬形空間變化之情形 110
表5-12 (c) 停留時間1.44 min隨寬形空間變化之情形 112
表5-13 寬形反應器於不同停留時間(τ)之流量分析 114
表5-14 (a) 停留時間17.48 min隨寬形空間變化之情形 115
表5-14 (b) 停留時間5.82 min隨寬形空間變化之情形 117
表5-14 (c) 停留時間1.44 min隨寬形空間變化之情形 119
表5-15 窄形反應器於不同停留時間(τ)之流量分析 121
表5-16 光催化模擬參數設定值 125


圖目錄
圖2-1 單一結構之晶紅石與銳鈦礦晶相 6
圖2-2 觸媒受光激發後光催化反應示意圖 8
圖2-3 甲基藍分子結構 17
圖3-1 批次反應器示意圖 28
圖3-2 批次反應器座標點分析位置 29
圖3-3 批次反應器中心點分析位置 29
圖3-4 方形反應器示意圖 30
圖3-5 寬形反應器示意圖 31
圖3-7 窄形反應器示意圖 31
圖3-5 模擬分析流程圖 40
圖4-1 實驗架構與設計 43
圖4-2 紫外光光強度分析 46
圖4-3 TiO2浸鍍程序流程圖 50
圖4-4 批次反應器 52
圖4-5 連續流反應 54
圖5-1 無披覆TiO2載體之SEM圖,放大倍率 (a) 50倍 (b) 10,000倍 56
圖5-2 有披覆TiO2載體之SEM圖,放大倍率 (a) 50倍 (b) 10,000倍 56
圖5-3 SEM-EDS圖 57
圖5-5 甲基藍全波長光譜圖 60
圖5-6 直接光降解實驗對甲基藍濃度影響:光強度為1.8 mW/cm2,初始濃度為32 mg/L,無披覆二氧化鈦,pH 5.7 61
圖5-7 不銹鋼網對於降解甲基藍濃度情況:無照光,無二氧化鈦披覆於載體上,無曝氣,初始濃度為32 mg/L,pH 5.7 63
圖5-8 不同空氣流量對於降解甲基藍濃度情況:不照光,無披覆
二氧化鈦,pH 5.7 63
圖5-9 二氧化鈦對於甲基藍吸附測試:不照光條件,空氣流量為150L/min,pH 5.7 65
圖5-10 甲基藍初始濃度對Langmuir-Hinshelwood反應動力式影響:空氣流量為150 mL/min,ST-01劑量為2.3 g,pH 5.7,(a) 光源強度1.8 mW/cm2 (b) 1.2 mW/cm2 (c) 0.6 mW/cm2 69
圖5-11 不同初始濃度之反應速率:甲基藍濃度為32 mg/L、16 mg/L、4 mg/L、1.6 mg/L,光強度為1.8 mW/cm2,曝氣量為150 mL/min,ST-01劑量為2.3 g,pH 5.7,(a) 進出流比例關係圖 (b) 取-ln分析光催化降解情況 (c) 反應速率比較圖 73
圖5-12 不同光源強度於二氧化鈦之光催化影響:甲基藍濃度為32 mg/L,空氣流量為150 mL/min,ST-01劑量為2.3 g,pH 5.7 75
圖5-13 不同空氣流量於二氧化鈦之礦化分析:甲基藍濃度為32 mg/L,光源強度為1.8 mW/cm2,ST-01劑量為2.3 g,pH 5.7,(a) 不同曝氣量光催化效率比較 (b) 不同曝氣量礦化作用分析 78
圖5-14 COMSOL模擬分析座標點 79
圖5-15 比較不同初始濃度的實驗與模擬結果(批次):光強度為1.8 mW/cm2,空氣流量為150 mL/min,ST-01劑量為2.3 g,pH 5.7,(a)甲基藍初始濃度為1.6 mg/L (b) 4 mg/L (c) 16 mg/L (d) 32 mg/L 82
圖5-16 比較不同初始濃度的實驗與模擬結果(連續流):光強度為1.8 mW/cm2,空氣流量為150 mL/min,進/出流流速為0.174 L/min,ST-01劑量為2.3 g,pH 5.7,(a) 甲基藍初始濃度16 mg/L (b) 32 mg/L 84
圖5-17 COMSOL模擬切線位置 85
圖5-18 不同停留時間之反應器高度變化 (a) 標準 (b) 方形 105
圖5-19 不同停留時間對甲基藍去除效率之影響(標準與方形) 106
圖5-20 不同停留時間之反應器高度變化 (a)標準 (b)寬形 (c)窄形 124
圖5-21不同停留時間對甲基藍去除效率之影響(窄形、標準、窄形) 124
圖5-21 動黏滯力標準偏差分析( a ) ± 25 % ( b ) ± 50 % 129
圖5-22 光源強度對甲基藍濃度( 0.04 mM )降解之影響 ( a ) 1.8 mW/cm2 ( b ) 1.2 mW/cm2 ( c ) 0.6 mW/cm2 131
圖5-23 反應常數標準偏差分析( a ) ± 25 % ( b ) ± 50 % 133
圖 5-24 吸附平衡常數標準偏差分析( a ) ± 25 % ( b ) ± 50 % 135

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