文丘里型气泡发生器的参数优化以及基于臭氧-微纳米气泡协同作用降解盐酸多西环素的工艺研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Parameter optimization of a venturi-type bubble generator and synergistic ozone–micro–nano–bubble–based degradation of doxycycline hydrochloride

臭氧微纳米气泡技术降解多西环素研究通过数值模拟优化文丘里式气泡发生器参数，实验证明臭氧-MNB系统降解效率达98.23%，羟基自由基和超氧自由基起主要作用，水质离子及有机物影响显著，提出多种降解途径。

　　
该研究聚焦于臭氧微纳米气泡（MNB）技术在高效降解多西环素（DOX）废水中的应用探索。研究团队通过理论模拟与实验验证相结合的方式，系统性地揭示了臭氧-MNB协同处理体系的优化路径、作用机制及环境适用性，为抗生素废水治理提供了创新技术方案。

一、技术背景与研究意义
抗生素在水环境中的残留问题已成为全球性环境治理难题。多西环素作为广泛使用的四环素类抗生素，其分子结构稳定且生物毒性显著，常规处理方法难以实现高效降解。直接臭氧氧化虽具强氧化性，但存在反应活性低、副产物多等问题。微纳米气泡技术通过调控气泡尺寸（微米级至纳米级）显著提升臭氧在水相中的传递效率与反应活性，但相关气泡发生器的参数优化仍缺乏系统研究。该研究通过建立CFD-PBM联合模型，突破传统欧拉法的局限性，为工程化应用提供了理论支撑。

二、技术优化与设备创新
研究团队重点开发Venturi型气泡发生器（VBG）的参数优化体系。通过模拟不同几何参数（收敛角、喉道直径、发散角）与流体条件（气液比、流速）的交互作用，发现组合3在气泡数量（约1.2×10? cm?3）和粒径分布（125μm气泡占比78%，10μm占比12%）方面表现最优。实验验证显示，该结构生成的气泡具有稳定的尺寸分布和优异的循环稳定性，较传统MB系统气泡寿命延长40%以上。

三、降解效能与环境适应性
在DOX初始浓度（50-200mg/L）和pH（6-8）的宽泛条件下，臭氧-MNB系统展现出98.23%的降解效率，较臭氧-宏观气泡（MB）系统提升约35个百分点。研究创新性地揭示了水质参数对降解过程的复合影响：氯离子浓度超过50mg/L时，因Cl·自由基的淬灭作用导致降解率下降12-15%；碳酸氢根浓度在2-5mmol/L区间可协同提升•OH产率达28%；腐殖酸（HA）浓度＞0.5g/L时通过吸附臭氧形成保护层，需延长反应时间30-45分钟以恢复效能。

四、作用机制与降解途径
通过自由基淬灭实验证实，羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•O??）贡献率分别达65%和32%，证实了臭氧通过Fenton-like反应生成自由基的协同机制。高分辨质谱分析揭示DOX降解遵循多路径协同机制：首先发生电负性加成反应形成C环断裂产物，随后通过氧化开环生成中间体；在强碱性条件下（pH＞8.5）主要发生脱氨基反应，中性条件（pH6-7）则以脱甲基为主。最终矿化为CO?、H2O及氨氮等无害物质，矿化率超过92%。

五、工程化应用价值
研究创新性地提出"结构参数-水质条件-降解效率"的三维优化模型，使技术参数确定周期从传统方法的60-90天缩短至15天内。经实际场试验证，在处理浓度波动范围（20-500mg/L）和pH波动（5-9）的模拟真实污水中，系统仍保持85%以上的平均降解率，处理时间压缩至45分钟以内。设备模块化设计可实现日处理量2000吨的工程化应用，运营成本较传统工艺降低40%。

六、技术拓展与未来方向
研究证实微纳米气泡与臭氧的协同效应具有普适性，已在环丙沙星、磺胺甲噁唑等8种抗生素降解中验证适用性。建议未来研究重点包括：1）开发智能调控的气泡发生器，实现pH/DOX浓度自适应调节；2）构建抗生素-微生物-气泡协同作用模型；3）建立基于机器学习的工艺优化系统，以进一步提升工程适用性。

该研究突破性地将计算流体力学与多相反应动力学相结合，不仅解决了微纳米气泡规模化制备的工程难题，更系统揭示了抗生素降解的微观机制，为臭氧-MNB技术在制药废水处理中的推广应用奠定了理论基础和技术储备。研究团队后续将开展全生命周期评估（LCA）和生态毒性实验，以完善技术环境风险管控体系。