催化臭氧化技术水处理中应用研究进展

催化臭氧化技术水处理中应用研究进展

苏嘉萍

身份证号码： 45252419820801****

摘要：所谓催化臭氧化就是在反应过程中产生的强氧化性烃基自由基对水中有机物进行氧化分解，在常温常压条件下对难以被臭氧单独氧化的对有机物实现氧化降解。催化臭氧技术是建立在臭氧的强氧化性基础上，并在催化剂的吸附、催化特性的联合作用下，深度解决有机物无法达到完全降解的问题，从而有效改善目前废水矿化率和臭氧利用率不高的问题，在目前的工业废水深度处理研究方面，催化臭氧技术作为一个重要的研究支线，在工业废水处理方面，具有重要的作用。文章通过对两种催化臭氧化技术的比较，发现均相催化臭氧化催化剂易于制备，且实验条件可控。最后，研究和开发无副作用的高效催化剂是今后催化

臭氧化技术的主要研究方向。

关键词：催化臭氧化技术；水处理

引言

随着经济的快速发展，近年来各种先进的臭氧氧化技术得到了迅速发展，催化臭氧氧化越来越受到生态领域的重视。催化臭氧化可以使单独臭氧氧化和降解的有机物在大气压力下进一步氧化，臭氧水处理有很强的催化反应，过程中的氧化羟基自由基(OH-),可以提高臭氧利用率和有机质的矿化。在水处理过程中，添加催化剂的臭氧对普通臭氧处理污染物更有效。本文主要探讨催化臭氧的催化剂使用效率，以及在添加催化剂作为媒介的前提下，其臭氧化技术在水处理领域中的应用研究发展。

1催化臭氧化技术的重要性

随着社会工业化进程的加快，环保治理要求日益严格，以及人们的环保意识的提高，饮用水的健康无害化以及工业废水稳定达标处理已经成为当今的热点研究方向之一。针对饮用水的处理，由于水中污染物通常较低，普通方法处理难以起到良好的作用，因此通常采用高效氧化技术处理饮用水中的有机物，如臭氧氧化。但是普通的臭氧氧化效率低而成本高，加入催化剂可以弥补这一缺陷。生化法由于操作方便，运行费用低等优点而被广泛应用于工业废水处理，但由于工业废水污染物浓度高，成分复杂，难生物降解，生化出水往往难以满足日益严格的水质要求，开发难降解废水高效处理技术已成为国内外亟待解决的难题。金属协同臭氧催化氧化法由于具有高效快捷，降解效果好等优点，成为新的研究热点。

2催化臭氧化技术水处理现状

2.1催化剂类型的选用

在目前的工业废水处理环节中，所使用的催化剂类型分为均相催化剂和非均相催化剂两种，由于其化学结构和作用机理的不同，又可以细分为许多种类。均相催化剂在使用过程中由于存在化学成分不稳定、使用时限短、容易发生再次污染等各种缺陷，在实际使用中推广力度不大，因而相关的研究比例也比较低。对于非均相催化剂，目前的研究主要集中在两个方面，一是过渡金属氧化物；二是负载型催化剂。过渡金属氧化物在耐酸、耐溶解等化学机理方面同样存在着诸多无法解决的问题，因而在实际研究中，主要是负载型催化剂研究为主。负载型催化剂是建立在不同载体基础之上的，在实际应用过程中，主要的载体类型包括活性炭、氧化铝和陶粒，此外还包括一些新型的化学载体。在这些载体的选择中，以活性炭载体应用范围最为广泛，主要是由于其具有较为发达的孔隙结构和大比例的比表面积，从而能够与各种活性成分进行协同催化。在以过渡金属为主的非均相催化剂研究方面，目前主要集中在锰、铁、铜三种金属的研究上，通过对这些金属进行多方面的研究，综合对生态环境的影响和经济成本等方面因素考虑，在实际应用中，铁和锰的应用范围更为广泛

2.2催化臭氧技术的作用机理

（1）均相催化臭氧氧化的作用主要是通过有机物与过渡金属之间发生离子反应，从而生成络合态物质，其在臭氧的氧化作用下，进一步分解成为不稳定产物，然后被水中的氧原子、臭氧原子及氢氧化合物彻底矿化。此外还可以利用紫外光、超声波和电场等不同的协同辅助作用，强化臭氧氧化的效果，达到对工业废水进行处理的目的。（2）对于非均相催化机理的研究，大多是建立在表面羟基机理的研究之上。催化剂的活性组分主要是以过渡金属氧化物为主，其配位会处于不饱和状态，在整体反应条件适合的情况下，水分子就会与Lewis酸性位点发生化学吸附和配位交换，然后在非均相催化剂的表层形成羟基基团，最终将臭氧吸附并扩散至处理污水中与有机物发生氧化降解。活性炭的催化机理与此较为类似，并且其矿化效果更为明显。

2.3臭氧投加量

臭氧投加量取决于目标污染物以及水质特性，是影响抗生素去除效率的主要因素。随着体系中臭氧投加量的增大，气液界面扰动会加剧，传质过程中气膜阻力减小，溶液中臭氧浓度增大，反应推动力加强，从而使得降解率提高。但是随着臭氧浓度的增大，水溶液中的臭氧浓度趋于饱和，气液传质速率会减小，臭氧利用率随之降低，过度投加臭氧使成本增加，因此臭氧投加量应该适当。此外，在臭氧氧化过程中，臭氧可能导致形成溴化副产物，如溴氧化物和具有致癌特性的有机溴化合物等，因此在处理含抗生素废水时需要适当控制臭氧投加量。Kuang J等定量研究发现，当臭氧对甲氧苄氨嘧啶(TMP)的摩尔比达到3时，TMP才可以被有效降解。另外，加入适量的t-BuOH作为自由基清除剂可以终止自由基链反应，抑制臭氧的衰减，使臭氧保持高浓度，从而有效去除抗生素。

3催化臭氧化技术水处理中应用

3.1均相技术催化臭氧在水处理中的应用

均相催化是指催化剂和反应物质处在同一物相，不存在相边界，化学反应在物相体系中完成的过程。首先，促进臭氧化的金属离子产生的高活性羟基自由基(OH-)，可以进一步分解废水中难以降解的无机与有机化合物。其次，金属离子可以先与有机物结合，再与臭氧发生氧化还原反应分解，达到消除污染物的效果。

3.2非均相催化

臭氧化非均相催化臭氧化利用固体催化剂与臭氧的协同作用，降低反应活化能，改变反应历程，从而增强臭氧化作用，实现难降解有机污染物的矿化，近年来备受关注。非均相催化剂催化臭氧化过程包括三种作用:首先，催化剂吸附有机物，催化剂将水中有机物吸附在表面，形成具有亲和性的表面螯合物，提高臭氧氧化率;其次，催化剂催化活化臭氧分子，臭氧分子在催化剂的作用下分解产生具有高氧化性的羟基自由基(·OH)等，进而提高臭氧氧化效率;最后，是吸附和活化协同作用，通过催化剂对有机污染物的吸附和对臭氧分子的催化活化协同作用，可以取得更好的催化臭氧氧化效果。

3.3单独臭氧氧化(O3)技术

臭氧一直以清洁高效而著称，在水处理方面的应用已有一个多世纪的历史。单独臭氧氧化处理有机物时，是以臭氧分子与有机物之间的直接氧化为主导。这种处理方法虽然高效无污染，但也存在一些明显的不足之处。臭氧与不同有机物反应时的反应速率常数相差较大，即臭氧氧化具有选择性，使得废水中的COD和TOC很难被

3.4催化臭氧化法联合工艺

臭氧化方法最初就有与其他处理方法联用的研究工作，主要是将臭氧氧化和生物法联用，仅将臭氧氧化作为生物处理前的预处理工序。由于催化臭氧化方法氧化效果远强于直接氧化法，近年来的研究中将其作为独立工序与其他处理技术联用的做法越来越多，多级处理联用工艺因此获得多方关注。将催化臭氧化与生化处理法联用，开发了微气泡臭氧催化氧化－生化耦合工艺深度处理煤化工废水。实验过程先将废水通过催化臭氧化反应器处理，经催化臭氧化降解后的废水富含氧气，直接进入生物反应器。在不需要额外通入氧气的条件下，直接利用臭氧分解后剩余的氧气，能够将废水中可生物降解的COD和氨类物质通过好氧生物法进行脱除。

4催化臭氧化技术水处理研究进展

4.1负载型催化剂

对于多相催化反应，主要发生在固体催化剂的表面上，利用的是固体催化剂的表面，其本体内部对催化反应并不起任何催化作用。负载型催化剂载体的孔结构和物理化学性质对催化剂性能有一定影响。选择合适孔结构和表面积的载体，增强催化剂的机械性能和耐热、传热性能等。作为催化剂的载体代表性的无机和有机载体材料。在工业领域所使用的载体基本上是无机载体。常用的几种载体有Al 2 O 3、SiO 2、分子筛、活性炭等。在负载催化剂中负载的活性相通常是对催化反应具有较高活性的贵金属或过渡金属。负载型催化剂的制备一般有沉淀法、浸渍法、离子交换法等。其中浸渍法是制备负载型催化剂最简单且常用的方法，即将载体放在适当的含活性物质的溶液中浸泡。

4.2金属氧化物型催化剂

在工业中应用的本体催化剂和载体绝大部分是金属氧化物，金属氧化物可分为两类，一类是过渡金属氧化物;另一类是非过渡金属氧化物。工业中应用较多的是过渡金属氧化物为活性组分的催化剂，由于过渡金属的价层d轨道未达到饱和状态，容易失去电子或夺取电子，有利于与臭氧的氧化还原反应，引发活性氧物种的产生，提高催化性能。通常金属氧化物型催化剂应用比较广泛的有MnO 2、TiO 2、Al 2 O 3、ZnO、MgO。Kermani等采用溶剂蒸发结晶法制备了纳米MgO;Quan等［17］用溶胶-凝胶法和共沉淀法制备Ln 3+-TiO 2光催化剂，发现通过共沉淀制备的Ln 3+-TiO 2光催化剂与溶胶-凝胶法制备的光催化剂相比具有优异的光催化活性。催化剂在催化反应中的效率不仅与催化剂的制备方法有关，还与催化的晶型有关。如低温的纳米TiO 2催化剂呈锐钛型，当温度升到700℃时，TiO 2可以实现从锐钛型向金红石型的转变。而金红石型的纳米TiO 2非常稳定，催化活性较高。

4.3其他形式的催化剂

除了上文研究的非均相催化剂金属或非金属氧化物问题，针对其他形式催化剂的研究也有很多。一些研究人员对活性炭催化臭氧化问题也展开了研究，意在实现对水中腐殖酸物质的去除。研究结果表明，活性炭催化臭氧化和臭氧氧化都可以实现对水中腐殖酸问题的去除，并且催化臭氧化的效果更为显著。还有一些研究针对活性炭催化臭氧化对SDBS的去除效果进行了研究，结果发现，活性炭催化臭氧化过程中会产生大量·OH，这对于水中SDBS物质的去除和降解较为显著。基于非均相催化剂涵盖了较多种类，容易在工作中获取，材料来源也更为广泛，所以在当前水处理发展中得到了广泛应用，此外，由于这项技术不会产生催化剂的二次污染问题，因此越来越受到了群众关注，但是整体对催化剂的使用效率仍然有待提升。

结束语

综上所述，均相催化剂和非均相催化剂相比，材料来源更为广泛，对于实验工作中的各项条件也能更有效的进行控制。针对催化臭氧化技术来说，不仅能对难降解的污染物进行去除，还可以在水处理环节中，降低和控制有机物含量。所以在今后水处理工作中，更要加强对均相和非均相催化剂优势的融合，降低两项技术中的缺点，只有这样才能更准确的掌握今后工作方向，实现对水处理技术的全面提升。

参考文献

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［5］赵辉.臭氧+催化剂+紫外线联合催化氧化技术在煤化工高盐废水中的应用[J].节能与环保,2020(12):93-94.