基于网板结构的柱塞流电化学反应器流动特性及污染物降解性能研究

The plug flow reactor (PFER) using porous reticulated electrode (PRE) provides a novel mass transfer mode for electrochemical reaction, in which the fluid flow is perpendicular to the surface of PRE. By this promising reactor, the turbulence intensity and mass transfer can be strongly improved and thus the key problem in engineering scale-up may overcome. We plan to investigate the effects of flow character at PFER and the degradation of pollutant, as well as coupled fluid diffusion mechanics and chemical reaction process by combining particle image velocimetry and fluid dynamic calculation. The PFER using PRE is carried out by multi-scale numerical simulation on the degradation of organic pollutants for wastewater treatment. The objective of the project is to elucidate the information on degradation of pollutants in the new reactor, and to reveal the influence including the reactor structure, the fluid boundary layer turbulence, the flow turbulence intensity, and mass transfer of pollutants at the PRE surface. In conclusion, the project has important scientific significance, not only on providing new approaches for preparation of novel electrochemical reactor but also on promoting disciplinary crossing and integration, such as fluid machinery and engineering, electrochemistry, environmental engineering, and so on.

网板结构的柱塞流电化学反应器（PFER）提出流体流向与电极面垂直接触的新模式，强化了流体湍动和传质，可解决现有PFER工程放大存在的瓶颈问题，在水污染控制及资源化领域极具应用前景。针对这种新型网板结构的电化学反应器内复杂流动反应现象，本项目运用粒子成像速度场仪（PIV）、计算流体力学（CFD）等方法，研究反应器流体细观流动结构和污染物宏观降解性能，耦合流体扩散力学和化学反应过程，开展网板结构PFER降解污染物过程的多尺度数值模拟，揭示反应器结构对流体边界层湍动的影响规律以及流体流动对污染物传质的强化机理，阐明新型反应器内污染物降解信息。研究结果为该类电化学反应器设计和操控优化提供理论依据，并促进环境工程、电化学和流体机械与工程等学科的交叉融合。

本项目提出了流体流向与电极面垂直接触的网板结构柱塞流电化学反应器（MPE-PFER），并通过运用粒子成像速度场仪（PIV）、计算流体力学（CFD）等方法，研究了反应器流体细观流动结构和污染物宏观降解性能，开展了MPE-PFER降解污染物过程的多尺度数值模拟，揭示了反应器结构对流体边界湍动的影响规律及流体流动对污染物传质的强化机理，阐明了新型反应器内污染物的降解信息。研究表明，当截面流速为0.008和0.011 m/s，进口方式为切向时，MPE-PFER反应器内流场稳定、压降小，污染物去除率高。通过多尺度数值模拟得出，当电极网孔尺寸为2 mm，电极间排布角度为90°，电极间距为20 mm和30 mm时，有利于反应器内物料的混合，传质的增强和流场的均匀分布，有效提高了反应器的性能。同时，通过PIV测量结果和CFD模拟结果对比，分析发现，测量结果和模拟结果基本一致，并得出了传质系数与流速、压降与流速和压降与传质系数的关系式。另外，网板结构柱塞流反应器和传统柱塞流反应器的对比结果显示，前者更易于物料混合，有利于电极表面活性物质的扩散，提高宏观反应速率，且能够高效和稳定地处理实际废水，能耗较低，有效解决了传统柱塞流电化学反应器工程放大存在的瓶颈问题。