·1170· 工程科学学报，第39卷，第8期 2.2核壳结构Fe0,@C微米粒子对V0Cs气泡表 气泡直径，统计结果如表2所示 观速率的影响 实验所用的鼓泡反应塔在不同高度处设置有气泡 d.= wpdmiddsomm (3) 3 观察窗口（分别在距离曝气头40、65和90cm处），可 表2气泡直径统计结果 以用CCD相机(Cannon EOS7D)对气泡进行拍照.本 Table 2 Bubble diameter statistics 实验中选择正辛烷为目标气体，控制气体流量为 体系 dup/cm dmia/cm ddomn/cm da/cm 1Lmin.实验开始后，首先打开进气阀，通气20min 纯水 0.401 0.387 0.315 0.368 待气流稳定以后再进行拍照操作.拍摄的气泡照片使 Fe3Oa 0.393 0.378 0.329 0.367 用图片处理软件ImageJ进行处理和统计即可得到照 核壳结构Fe3O:@C 0.4090.356 0.334 0.366 片中每个气泡的大小 由于气泡在溶液中并不是以球形的形态存在，而 在层流区可以根据Stokes公式计算气泡上升的表 是椭球形，因此气泡的sauter直径是按下述公式计算 观速率U,气泡在不同体系中的表观速率及参数如表 求得： 3所示. d=×d (2) (4) 其中，山(d,)是气泡轴向最小（最大）直径.而上 2 (d)、中(da)、下(d)不同观察位置的气泡直径大 式中，P1为液体密度，P。为气体密度，山，为液体黏度，d 小又存在差异，因此取其平均值(d)作为鼓泡塔中的 为气泡直径，g为重力加速度 表3气泡在不同体系中的表观速率及参数 Table 3 Residence times and related bubble parameters in different systems 体系 密度，p/(kgm3) 黏度，u/(mPas) 表观速率，/(ms1) 停留时间，/s 空气 1.20 水 997 0.894 8.21 0.0272 Fe04悬浊液(0.5g-L-l) 905 0.834 7.95 0.0281 Fe0@C悬浊液(0.5gL-1) 901 0.852 7.70 0.0290 从表2和表3的数据中可以看出，不同体系中气 泡的平均直径几乎没有差异，而核壳结构Fe,0,@C微 Fe,O.@C 米粒子体系中溶液的密度和黏度表现出细微差异，气 20 泡在液相中的停留时间能够略有延长，但是这种细微 影响对于UV-Fenton去除VOCs的贡献非常有限. Fe 0 2.3核壳结构Fe,0,@C微米粒子对液相中VOCs 0 的吸附作用 选择水中溶解度极小的正辛烷（溶解度系数为每 个标准大气压2.0×104mol.L1)为目标气体，在纯 水中分别加入微米Fe,0,和核壳结构Fe,0,@C微米 10 20 3040 50 60 粒子，并以纯水为对照，控制正辛烷进气化学质量浓 时间min 度、流量等参数一致(243mgm3、1L·min1),考察不 图6不同体系液相中正辛烷质量浓度的变化 同溶液体系对VOCs的吸附作用.实验结果如图6所 Fig.6 Change in octane mass concentration in liquid 示，相比纯水体系，微米Fe,O,体系对VOCs的吸附作 溶性气体如正辛烷，通过表层包覆碳层的物理吸附作 用几乎没有改变（饱和质量浓度分别为12.9和13.6 用，可以使得液相中正辛烷质量浓度显著增加，相当于 mg·L);而添加核壳结构Fe,0,@C微米粒子体系 在液相中对正辛烷进行大幅富集，从而有效增加VOCs 中，液相中正辛烷的质量浓度显著增大（饱和质量浓 在液相中与Fenton试剂的接触几率. 度可达到24.7mgL,同比纯水和添加Fe,0,体系分 2.4核壳结构Fe,0,@C微米粒子在Fenton体系中 别提升91.5%和81.6%). 氧化去除VOCs的催化性能研究 三种体系的对比结果表明核壳结构Fe,O,@C微 选择三种不同溶解度系数且具有代表性的 米粒子对液相中VOCs具有显著的吸附作用.对于难 VOCs(乙酸乙酯、甲苯、正辛烷)为目标物，在pH值工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 2郾 2 核壳结构 Fe3O4 @ C 微米粒子对 VOCs 气泡表 观速率的影响 实验所用的鼓泡反应塔在不同高度处设置有气泡 观察窗口(分别在距离曝气头 40、65 和 90 cm 处),可 以用 CCD 相机(Cannon EOS 7D)对气泡进行拍照. 本 实验中 选 择 正 辛 烷 为 目 标 气 体, 控 制 气 体 流 量 为 1 L·min - 1 . 实验开始后,首先打开进气阀,通气 20 min 待气流稳定以后再进行拍照操作. 拍摄的气泡照片使 用图片处理软件 ImageJ 进行处理和统计即可得到照 片中每个气泡的大小. 由于气泡在溶液中并不是以球形的形态存在,而 是椭球形,因此气泡的 sauter 直径是按下述公式计算 求得: d = 3 d 2 1 伊 d2 . (2) 其中, d1 ( d2 ) 是 气 泡 轴 向 最 小 ( 最 大) 直 径. 而 上 (dup )、中(dmid )、下(ddown )不同观察位置的气泡直径大 小又存在差异,因此取其平均值(dav)作为鼓泡塔中的 气泡直径,统计结果如表 2 所示. dav = dup + dmid + ddown 3 . (3) 表 2 气泡直径统计结果 Table 2 Bubble diameter statistics 体系 dup / cm dmid / cm ddown / cm dav / cm 纯水 0郾 401 0郾 387 0郾 315 0郾 368 Fe3O4 0郾 393 0郾 378 0郾 329 0郾 367 核壳结构 Fe3O4@ C 0郾 409 0郾 356 0郾 334 0郾 366 在层流区可以根据 Stokes 公式计算气泡上升的表 观速率 Ub ,气泡在不同体系中的表观速率及参数如表 3 所示. Ub = 1 18 籽l - 籽g 滋l gd 2 b . (4) 式中,籽l 为液体密度,籽g 为气体密度,滋l 为液体黏度,db 为气泡直径,g 为重力加速度. 表 3 气泡在不同体系中的表观速率及参数 Table 3 Residence times and related bubble parameters in different systems 体系 密度,籽 / (kg·m - 3 ) 黏度,滋 / (mPa·s) 表观速率,Ub / ( m·s - 1 ) 停留时间, t / s 空气 1郾 20 — — — 水 997 0郾 894 8郾 21 0郾 0272 Fe3O4 悬浊液(0郾 5 g·L - 1 ) 905 0郾 834 7郾 95 0郾 0281 Fe3O4@ C 悬浊液(0郾 5 g·L - 1 ) 901 0郾 852 7郾 70 0郾 0290 从表 2 和表 3 的数据中可以看出,不同体系中气 泡的平均直径几乎没有差异,而核壳结构 Fe3O4@ C 微 米粒子体系中溶液的密度和黏度表现出细微差异,气 泡在液相中的停留时间能够略有延长,但是这种细微 影响对于 UV鄄Fenton 去除 VOCs 的贡献非常有限. 2郾 3 核壳结构 Fe3O4 @ C 微米粒子对液相中 VOCs 的吸附作用 选择水中溶解度极小的正辛烷(溶解度系数为每 个标准大气压 2郾 0 伊 10 - 4 mol·L - 1 ) 为目标气体,在纯 水中分别加入微米 Fe3O4 和核壳结构 Fe3O4 @ C 微米 粒子,并以纯水为对照,控制正辛烷进气化学质量浓 度、流量等参数一致(243 mg·m - 3 、1 L·min - 1 ),考察不 同溶液体系对 VOCs 的吸附作用. 实验结果如图 6 所 示,相比纯水体系,微米 Fe3O4 体系对 VOCs 的吸附作 用几乎没有改变(饱和质量浓度分别为 12郾 9 和 13郾 6 mg·L - 1 );而添加核壳结构 Fe3O4 @ C 微米粒子体系 中,液相中正辛烷的质量浓度显著增大(饱和质量浓 度可达到 24郾 7 mg·L - 1 ,同比纯水和添加 Fe3O4 体系分 别提升 91郾 5% 和 81郾 6% ). 三种体系的对比结果表明核壳结构 Fe3O4 @ C 微 米粒子对液相中 VOCs 具有显著的吸附作用. 对于难 图 6 不同体系液相中正辛烷质量浓度的变化 Fig. 6 Change in octane mass concentration in liquid 溶性气体如正辛烷,通过表层包覆碳层的物理吸附作 用,可以使得液相中正辛烷质量浓度显著增加,相当于 在液相中对正辛烷进行大幅富集,从而有效增加 VOCs 在液相中与 Fenton 试剂的接触几率. 2郾 4 核壳结构 Fe3O4@C 微米粒子在 Fenton 体系中 氧化去除 VOCs 的催化性能研究 选 择 三 种 不 同 溶 解 度 系 数 且 具 有 代 表 性 的 VOCs(乙酸乙酯、甲苯、正辛烷) 为目标物,在 pH 值 ·1170·