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影响臭氧催化氧化效率的因素
来源: www.ozonelab.cn 发布时间:2021-01-04 浏览次数:

影响臭氧催化氧化效率的因素
 
随着臭氧在水处理中应用的越来越多,臭氧催化氧化作为一种新型水处理技术,可降低消毒副产物生成近五成,且更加安全、高效、持久。催化臭氧氧化技术是基于臭氧氧化的高级氧化技术,臭氧在催化剂的作用下形成高活性羟基自由基,对消毒副产物的前体物(即与消毒剂反应生成消毒副产物的物质)有着很高的去除效率,而且无需向水中引入其它化学药剂,在富营养化水体的深度处理中有着广阔的应用前景。
 
臭氧催化氧化技术按催化剂的相态分为均相臭氧催化氧化技术和多相臭氧催化氧化技术,在均相臭氧催化氧化技术技术中,催化剂分布均匀且催化活性高,作用机理清楚,易于研究和把握。但是它的缺点也很明显,催化剂混溶于水,导致其易流失、不易回收并产生二次污染,运行费用较高,增加了水处理成本。多相臭氧催化氧化技术法利用固体催化剂在常压下加速液相(或气相)的氧化反应,催化剂以固态存在,易于与水分离,二次污染少,简化了处理流程,因而越来越引起人们的广泛重视。
 
对于臭氧催化氧化技术技术,固体催化剂的选择是该技术是否具有高效氧化效能的关键。研究发现,多相催化剂主要有三种作用:
 
一是吸附有机物,对那些吸附容量比较大的催化剂,当水与催化剂接触时,水中的有机物首先被吸附在这些催化剂表面,形成有亲和性的表面螯合物,使臭氧氧化更高效。
 
二是催化活化臭氧分子,这类催化剂具有高效催化活性,能有效催化活化臭氧分子,臭氧分子在这类催化剂的作用下易于分解产生如羟基自由基之类有高氧化性的自由基,从而提高臭氧的氧化效率。
 
三是吸附和活化协同作用,这类催化剂既能高效吸附水中有机污染物,同时又能催化活化臭氧分子,产生高氧化性的自由基,在这类催化剂表面,有机污染物的吸附和氧化剂的活化协同作用,可以取得更好的催化臭氧氧化效果的。
 
在多相臭氧催化氧化技术中涉及的催化剂主要是金属氧化物(Al2O3、TiO2、MnO2等)、负载于载体上的金属或金属氧化物(CuTiO2、CuAl2O3、TiO2AlO3等)以及具有较大比表面积的孔材料。这些催化剂的催化活性主要表现对臭氧的催化分解和促进羟基自由基的产生。臭氧催化氧化过程的效率主要取决于催化剂及其表面性质、溶液的pH值,这些因素能影响催化剂表面活性位的性质和溶液中臭氧分解反应。
 
臭氧催化剂
 
1(负载)金属催化剂
通过一定方式制备的金属催化剂能够促使水中臭氧分解,产生具有极强氧化性的自由基,从而显著提高其对水中高稳定性有机物的分解效果。许多金属可用于催化臭氧氧化过程中,如钛、铜、锌、铁、镍、锰等。
 
2 金属氧化物
金属氧化物的合理选用可直接影响催化反应机理和效率。一般金属氧化物表面上的羟基基团是催化反应的活性位,它通过向水中释放质子和羟基,发生离子交换反应而从水中吸附阴离子和阳离子,形成 Bronsted酸位,而该酸位通常被认为是金属氧化物的催化中心。下面以几种被广泛进行了研究的金属氧化物催化剂,例如TO2、A2O3、MnO2做详细介绍。
 
(1)二氧化钛TiO2
 
TiO2一般用作光催化反应,但是它对水中有机物的臭氧催化氧化技术也有很好的效果,既可以单独作为臭氧化反应的催化剂,又可以和紫外光一起共同催化臭氧化。
 
Beltran等以TiO2粉末作催化剂,研究了催化臭氧化降解草酸的效果。相对于单独臭氧氧化体系,多相催化臭氧化法对草酸的去除率和矿化程度有了极大的提升。
 
(2)氧化铝Al2O3
 
Al2O3通常被用作催化剂的载体,但有些研究者发现它同样具有一定的催化臭氧氧化的能力。Ni和Chen的研究表明,y-Al2O3的存在使2-氯酚的有机碳去除率从单独臭氧氧化的21%提高到43%,而且臭氧的消耗量仅为单独臭氧氧化时的一半,催化剂连续使用三次后去除效果没有明显变化。
 
(3)二氧化锰MnO2
 
在所有过渡金属氧化物中,MnO2被认为表现出了最好的催化活性,可以有效催化降解的有机物种类最多。
 
近年来,纳米材料的出现为开发新型高效的臭氧化催化材料提供了新的机遇,与传统的体相催化剂相比,纳米材料的使用提高了催化剂的催化效率。过渡金属氧化物纳米材料在催化领域的应用硏究已有许多文献报道。在催化臭氧化中,一些以过渡金属氧化物为活性组分的纳米催化剂,比如Co3O4、Fe2O3、TiO ZnO等取得了较好的催化效果。
 
3 活性炭
活性炭是由微小结晶和非结晶部分混合组成的碳素物质,活性炭表面含有大量的酸性或碱性基团,这些酸性或碱性基团的存在,特别是羟基、酚羟基的存在使活性炭不仅具有吸附能力,而且还具有催化能力。
 
臭氧/活性炭协同作用过程中,在活性炭的吸附作用下使臭氧加速变成羟基自由基,从而提高氧化效率。活性炭作为催化剂与金属氧化物作为催化剂进行催化臭氧化的不同之处在于对臭氧的分解机理不同:活性炭表面的路易斯碱起主要作用;而金属氧化物表面的路易斯酸是催化过程的活性点。另外,对活性炭催化体系而言,活性炭表面的吸附性能起较大作用,所以臭氧化降解效率受介质酸碱性影响较大。
 
虽然臭氧催化剂效果很好,但未来还要对实际水厂中使用时的方式、催化剂安全评价、催化剂在不同水质状况下的使用寿命、同步控制溴酸盐等臭氧氧化副产物等问题展开大量中试性研究,为饮用水安全保障做好技术储备工作!