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臭氧催化氧化作用機理

作者: 發布日期: 2019-7-2 09:10:36 人氣:

臭氧是氧氣的同素異形體,含有 3 個氧原子。臭氧在常溫常壓下為淡藍色氣體,水中的溶解度為 9.2mlO3/L,高于氧氣(42.87mg/L),水中溶解濃度高于 20mg/L 時呈紫藍色。臭氧有很強的氧化性,氧化還原電位為 2.07V,單質中僅低于 F2(3.06V)。臭氧可将廢水中殘留的大分子、長鍊、難以生物降解的有機物部分直接礦化成二氧化碳與水,部分分解為小分子易生物降解物質,破壞不可生物降解有機物的結構,降低毒性,提高B/C比,從而保證後續生化法的處理效果。

臭氧在工業廢水處理中應用十分普遍,水溶液中臭氧與有機物的作用主要有兩種途徑:一種是臭氧分子的直接氧化作用;另一種是臭氧被分解後産生·OH羟基自由基強氧化作用。

傳統的臭氧氧化技術以直接氧化為主,傳質效果差、極高的選擇性、臭氧利用率低、投資與運行成本高昂。

臭氧催化氧化技術是在氧化體系内加入過渡金屬離子,能夠對臭氧氧化産生明顯的催化效果,可以催化臭氧在水中的自分解,增加水中産生的·OH 濃度,從而提高臭氧氧化效果。

目前,催化臭氧工藝分為兩種類型:均相臭氧氧化和非均相臭氧氧化。均相臭氧氧化是指在水中加入一些溶解性的過渡金屬離子以達到催化臭氧氧化的效果。非均相臭氧催化的催化劑以固态形式存在,易于分離,流程簡單,既避免了催化劑的流失,也降低了水的處理成本。

非均相催化臭氧工程中常用的催化劑主要有:金屬氧化物和複合金屬氧化物;負載在載體上的金屬氧化物;負載在載體上的金屬;活性炭或以活性炭為載體的催化劑;多孔材料等。

其中過度金屬系列氧化物由于價格相對便宜,原料易得,催化活性高而應用廣泛。如钛氧化物、鐵氧化物、錳氧化物、鋁氧化物、鋅氧化物、銅氧化物、鎳氧化物等。


    在非均相催化臭氧氧化體系中,一般有三種可能的反應機理:

  1. 臭氧化學吸附在催化劑表面,生成活性物質後與溶液中的有機物反應。這種活性物質可能是·OH,也有可能是其他形态的氧。

  2. 有機物分子通過化學鍵的作用吸附在催化劑表面,進一步與氣相或液相中的臭氧反應。首先有機物會迅速被吸附在催化劑載體上,載體表面的氧化物與其形成一些螯合物,随後這些螯合物被臭氧和·OH氧化。

  3. 臭氧和有機物分子同時被吸附在催化劑表面(絡合物作用),随後二者發生反應。從還原态催化劑開始,臭氧會氧化金屬,臭氧在還原态金屬上的反應會生成·OH,有機物會被吸附在被氧化過的催化劑上,然後通過電子轉移反應被氧化,再次産生還原态的催化劑。有機物随之會很容易從催化劑上解吸(脫附),随後進入本體溶液,或被·OH和臭氧氧化。

    臭氧催化劑特點

  1. 本催化劑通過大量試驗和工程應用篩選催化劑載體及活性組分,運用大規模工業化的生産方式确保合成後的催化劑機械強度大、使用壽命長。多孔材料為催化劑提供了巨大的比表面積,使得催化反應在單位時間内有更高的效率。

  2. 本催化劑的活性組分以具有活性的過渡金屬/氧化物為主,與載體物料性質相近,附着強度高;同時通過高溫燒結成型,保證了活性組分的高利用率,并且解決均相催化系統的催化劑須定時添加,催化劑流失率的問題,防止二次污染。
  3. 采用本催化劑進行臭氧催化氧化反應,可顯著提高臭氧與污染物的反應速率,有效降低處理成本。配合我司的臭氧氧化塔設備,可以減少臭氧投加量30%以上,臭氧利用率可達98%以上。以化工廢水預處理、印染廢水深度處理為例,可比采用常規方法需投加臭氧量減少30%,噸水運行費用亦可降低30%。

我司與多所高校聯合研制而成的高效臭氧催化劑,可提高羟基自由基的産生量達100%-300%,大幅增強臭氧氧化利用率(98%以上)。

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