臭氧應用於水及廢水處理系統改良之整合型研究---子計畫三：以臭氧程序進行廢水處理氣液界面現象及反應動力之探討(III)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以臭氧程序進行廢水處理氣液界面現象及反應動力之探討之探討

計畫編號：NSC89-2211-E011-005

執行期間：89 年 8 月 1 日∼90 年 7 月 31 日

主 持 人：顧 洋 國立台灣科技大學化學工程系

一、中文摘要

本研究利用臭氧程序與過氧化氫/

臭氧程序處理低濃度之 2-氯酚水溶 液。探討水溶液 pH 值、臭氧劑量、氣 體流量、攪拌速率、第三丁醇與界面 活性劑對反應去除效率與反應行為的 影響。

水溶液中第三丁醇或界面活性劑 的添加能有效降低表面張力，使得水 溶液中氣泡變小而增加質傳面積，進 而提高液相臭氧的累積速率。因此，

對於質傳控制的反應而言，添加第三 丁醇或界面活性劑能有效加快反應物 種的去除速率。

為瞭解臭氧曝氣系統中氣泡形成 與臭氧質傳之關係，嘗試利用高速顯 微攝影機，拍攝量測質傳系統中氣泡 大小及上升速度的變化，並添加 SDS 界面活性劑，探討表面張力對於氣泡 行為的影響。經由實驗與理論計算得 知，氣體流量在 145~656 ml/min 的範 圍 內 ， 其 臭 氧 質 傳 比 表 面 積 約 在 5.35~8.50 m-1 之間，臭氧在純水中的 質傳係數約為 0.0399 cm/s；在添加濃 度為 0.0346 mM 的 SDS 界面活性劑 後，臭氧質傳比表面積可由 5.35 m-1 增加到 11.51 m-1，臭氧的質傳係數則 為 0.0268 cm/s。

(關鍵字：臭氧、氣泡、界面活性劑、

表面張力、質傳面積、質傳係數、2- 氯酚)

Abstract

The decomposition of 2-chlorophenol in aqueous solution by ozone and H2O2/O3 process was studied under various solution pH values, ozone dosage, concentration of t-butanol, surfactants, gas flow rate and stirring speed.

Surfactant or t-butanol was added to the aqueous solution in order to discuss the relationship between surface tension of solution and dissolution of ozone. The addition of surfactant or t-butanol was found to improve the decomposition rate of 2-chlorophenol by ozone process.

To calculate the intrinsic interfacial area of the ozone in bubble columns, the size and rising velocity of ozone-containing bubbles were measured and determined by a high-speed microvideoer. By the theoretical calculation of experimental results, the intrinsic interfacial area of the ozone were determined to be ranged from 5.35 m-1 to 8.50 m-1 and the intrinsic mass transfer coefficient kL of ozone in pure water was found to be 0.0399 cm/s for gas flow rate ranging from 145 ml/min to 656 ml/min.

Experimental results indicated that the intrinsic interfacial area of the ozone was 11.51 m-1 and the intrinsic mass transfer coefficient kL of ozone was 0.0268 cm/s with the addition of 0.0346 mM SDS,respectively.

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Key words：ozone, bubble, surfactant, surface tension, interfacial area, mass transfer

coefficient, 2-chlorophenol

二、前言

臭氧程序及過氧化氫/臭氧程序涉 及了非均相氣、液反應，因此處理之 有機物種氧化、礦化情形除受到化學 反應性的影響外，氣、液間質傳也主 導了程序之進行；質傳驅動力可由調 整臭氧濃度達到提升的目的，但溶液 之性質則影響了氣體進入液相形成氣 泡 之 大小 ， 進而 影 響 了 氣 液 接 觸 面 積，因此溶液性質對氣、液界面之影 響也必須做進一步的探討。

並以微觀的方式，探討水溶液中 氣泡形成對於臭氧程序應用之影響，

本研究以高速顯微攝影系統拍攝水溶 液中的氣泡變化，和單孔成泡的單一 氣泡大小，藉由理論與實驗之結果，

進而瞭解氣體流量、以及表面張力等 因素，對於質傳速率促進之原因，並 進一步建立反應動力模式來描述臭氧 與有機物之反應行為。期能透過這些 研究成果，對未來的高級氧化程序之 應用，提供一些依據及參考。

三、實驗結果與討論

3.1 單一氣泡行為探討

本實驗以高速攝影機拍攝在玻璃 圓管柱內單孔成泡的情形，分別調整 11 組不同的氮氣氣體的流量，進行氣 泡的攝影。然而，只有進行前 6 組均 勻形式如圖一的氣泡體積大小和體積 流速的計算，因為在此低流量下，氣 泡將可以穩定形成，並假設所形成之 氣泡為一球形，本研究採以電腦程式 尋求氣泡的邊界輪廓得氣泡的體積。

圖一、純水系統中均勻形式之單孔成

泡過程

圖二、純水系統中非均勻形式之單孔 成泡過程

其他 5 組之氣體流量已超過轉移速率 使氣泡的行為轉變為非均勻形式如圖 二，由於氣體流速過大，因此成長中 的氣泡和已脫離的氣泡產生了合併的 現象(魏毓宏, 1983)，氣體流量過大時 甚至於有三個氣泡合併的情形。

氣泡體積與體積流速的關係如圖 三，在相同的液位高度氣泡體積隨著 體 積 流 速 的 增 大 而 變 大 ， 可 以 用 Davidson and Schuler (1960)理論來解 釋，不管是在黏性流體或非黏性流體 下單孔成泡理論，脫離時的體積 V

_b

圖三、純水系統中單一氣泡體積對氣 體流量之關係圖

3.2 多孔曝氣系統之氣泡行為探討 經由單一氣泡的行為、其大小、

形狀和假設以簡化問題，推倒出在低 流量下叫適合的質傳面積計算方式：

1.不加攪拌時，氣泡在水中的型態為 均勻型式，即氣泡不會互相碰撞、

360 390 420 450 480 510

15.6 15.8 16.0 16.2 16.4 16.6 16.8 17.0 17.2 17.4 17.6 17.8

18.0 Sin gle b u b b le syst em Temp.=25⁰C Carrier gas=Nitrogen

B u b b le v o lu m e ( m m

)

G as flow rate (min)

3

結合或分裂。

2.曝氣頭上各氣孔產生的氣泡大小 相近。

3. 氣 泡 在 水 中 移 動 的 型 態 是 Plug flow，沒有死角存在。

不論是在單孔成泡部分或是多孔 瀑氣系統中的氣泡影像中，發現以圓 形狀的橢球體(如下圖)較能描述氣泡 的形狀，而氣泡大小、表面積π d

X

Y

π

_X ²

_Y

由 實 驗 得 到 氣 泡 上 升 平 均 速 度 v

avg

τ

avg

可求出平均滯留時間內，離開反應器 的氣體總體積∆V = Q×τ。

將

∆V 除以平均氣泡體積 V B

_B

∆

_B

_B

_B

_avg

_B ×A avg

3.3 氣泡在水中的移動行為

在純水和 SDS 水溶液兩系統下，

反應器不同高度下氣泡的變化，發現 純水中氣泡大小會隨高度愈高而漸增 大。在 0.3∼2 公分高度之間，是氣泡大 小變化的主要區域。此區域氣體通過 曝氣頭時由於受壓形成微小氣泡，進 入 水 中後 需 一段 時 間 才 能 和 水 壓 平 衡；在 2∼14.7 公分範圍內，氣泡大小 變化較不明顯，可能是在 15 公分的瀑 氣深度下，壓力變化不大所造成。

在純水系統中氣泡成長主要發生 在橫軸方向(d

_X

_Y

加。當氣泡大小變化較緩時，其上升 速度變化趨勢亦不明顯，可知兩者間 有相對關係。氣泡在接近液面的時，

由於水面上氣泡破裂與相互推擠造成 液 面 劇烈 擾 動， 使 得 氣 泡 上 升 的 受 阻，減慢上升速度，稱末端效應。

SDS 水溶液系統中，氣泡體積較 純水系統小，受力變化較不明顯，氣 泡在水中的大小近似圓球狀，橫軸及 縱軸方向的變化也趨近於一致。推測 此時從曝氣頭產生的氣泡大小，已相 當接近平衡時的大小。SDS 系統中氣 泡速度的變化，除末效應外，氣泡速 度並無明顯變化。可能是從曝氣頭離 開的氣泡速度，已相當接近氣泡在水 中的平衡速度。

3.4 氣體流量之影響

不同氣體流量下的氣泡大小隨著 氣體流量的增加，氣泡大小的變化趨 勢漸緩，可能是氣體流量增大時，氣 泡大小愈來愈接近平衡時狀態，因此 變化漸緩。此一現象亦與單孔成泡的 結果相近，氣體流量超過一定的範圍 後氣泡大小即相當穩定沒有變化。

在氣體流量漸增的初期，質傳面 積的促進除了氣泡數量會增加，還有 氣泡大小增長的貢獻；但當氣體流量 大到一定程度，氣泡大小的變化漸趨 不明顯，因此僅由氣泡數量的增加對 質傳面積有促進的效果。

氣 泡 的 上 升 速 度 沒 有 明 顯 的 變 化，可能是變化幅度小造成誤差外，

亦或是實驗範圍內之氣泡大小幾何比 (dX/dY)相近，因此上升的速度較無明 顯變化。同時由於氣泡數量龐大，彼 此干擾對於氣泡速度亦有所阻礙。

本實驗氣體流量範圍在 145∼656 ml/min 內，質傳比表面積 5.35∼8.5 m

^-1

^-1

黃全億(1998)之捲氣式反應器所

4

得質傳比表面積約 36.2∼60.0 m

^-1

∼133.38 m ^-1

表 1 為本實驗所得之質傳係數的 變化為 0.0377~0.044 cm/s 之間，由此 看來質傳係數和氣體流量之間並沒有 明確的相關性。但黃全億(1998)在捲氣 式反應器的研究中，流量 5058~8960 ml/min 的範圍內，所得之質傳係數約 在 0.034~0.075 cm/s 之間，其認為增 加氣體流量也略能提高臭氧的質傳係 數，且隨著氣體流量的增加，質傳係 數略為提高。這可能是本實驗所操作 之氣體流量範圍不大，以致氣泡上升 的速度變化不明顯，將四組質傳係數 取其平均為 0.0399 cm/s。

表 1 不同氣體流量下的質傳係數變化

Q (ml/min)

[O ₃ *]

(mg/l) k _L a (min ^-1 )

a (m ^-1 )

k _L (cm/s) 145 4.24417 0.14233 5.35 0.0440 395 4.29671 0.17017 7.11 0.0400 507 4.35128 0.18764 8.29 0.0377 656 4.45332 0.19376 8.50 0.3800

定溫下假設 k

L

四、結論與建議

1.利用高速攝影系拍攝的單一氣泡影 像輪廓，經影像軟體系統處理後，再 適當的像差修正後，因降低人工觀察 之主觀誤差所得之氣泡大小較接近 實際氣泡。並由此實驗得知氣泡大小 與氣體體積流量的關係。

2.提高氣體流量，能夠使得質傳比表面 積增加而促進臭氧的質傳速率。

3.在本實驗條件下計算求得動態反應

系統臭氧質傳係數為 0.0399(cm/s)。

參考文獻

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國立成功大學化學工程系 (1996)。

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