水處理催化臭氧技術常用的3種催化劑總結

更(geng)新時間：2020-09-25 14:32 來源：淼知水圈(quan) 作者: 閱讀(du)：6549

有關臭氧處理(li)工藝的總結，大家一(yi)起來學習吧！

臭(chou)(chou)(chou)氧(yang)催化氧(yang)化技術(shu)是基于臭(chou)(chou)(chou)氧(yang)的(de)高級氧(yang)化技術(shu)，它(ta)將臭(chou)(chou)(chou)氧(yang)的(de)強氧(yang)化性(xing)和催化劑的(de)吸附、催化特性(xing)結合起(qi)來，能較為有(you)效地解決有(you)機物降解不完全的(de)問(wen)題。

臭氧催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)按催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)的相態(tai)分為均相臭氧催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)和(he)多相臭氧催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)，在均相臭氧催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)中，催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)分布均勻且催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)活(huo)性高，作用(yong)機(ji)理(li)清楚，易于研究和(he)把握。但(dan)是它(ta)的缺點也很明顯，催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)混溶(rong)于水，導致其(qi)易流失、不易回(hui)收并產生二次(ci)污染，運行(xing)費用(yong)較(jiao)高，增加了水處(chu)理(li)成本。多相臭氧催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)法利(li)用(yong)固(gu)體催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)在常壓下加速液相（或氣相）的氧化(hua)(hua)(hua)反應，催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)以固(gu)態(tai)存在，易于與水分離，二次(ci)污染少，簡化(hua)(hua)(hua)了處(chu)理(li)流程，因而越(yue)來越(yue)引起(qi)人們的廣泛重視。

對于臭氧(yang)催化氧(yang)化技(ji)術技(ji)術，固體催化劑(ji)的選擇是該技(ji)術是否具有高(gao)效氧(yang)化效能的關鍵(jian)。研究發現，多相催化劑(ji)主要(yao)有三種作(zuo)用(yong)：

一是吸(xi)附(fu)有(you)機物(wu)，對那些(xie)(xie)吸(xi)附(fu)容量比較大的催化劑，當水(shui)與催化劑接觸時，水(shui)中的有(you)機物(wu)首(shou)先(xian)被吸(xi)附(fu)在這(zhe)些(xie)(xie)催化劑表面，形成有(you)親和性的表面螯合物(wu)，使臭氧氧化更高效。

二是催(cui)化活(huo)化臭(chou)氧(yang)(yang)分(fen)(fen)子(zi)，這(zhe)類催(cui)化劑(ji)具(ju)有高效催(cui)化活(huo)性(xing)(xing)，能有效催(cui)化活(huo)化臭(chou)氧(yang)(yang)分(fen)(fen)子(zi)，臭(chou)氧(yang)(yang)分(fen)(fen)子(zi)在這(zhe)類催(cui)化劑(ji)的作用下易于(yu)分(fen)(fen)解產生如(ru)羥(qian)基自由基之類有高氧(yang)(yang)化性(xing)(xing)的自由基，從而提(ti)高臭(chou)氧(yang)(yang)的氧(yang)(yang)化效率。

三是吸(xi)附和活化(hua)(hua)協同作用，這類催(cui)化(hua)(hua)劑既(ji)能高效(xiao)吸(xi)附水(shui)中有機污染物(wu)，同時又能催(cui)化(hua)(hua)活化(hua)(hua)臭氧(yang)分子，產(chan)生高氧(yang)化(hua)(hua)性的(de)自(zi)由基，在這類催(cui)化(hua)(hua)劑表面，有機污染物(wu)的(de)吸(xi)附和氧(yang)化(hua)(hua)劑的(de)活化(hua)(hua)協同作用，可以(yi)取得更好(hao)的(de)催(cui)化(hua)(hua)臭氧(yang)氧(yang)化(hua)(hua)效(xiao)果的(de)。

在多相臭(chou)氧(yang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)氧(yang)化(hua)(hua)技(ji)術技(ji)術中涉及(ji)的(de)催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑主(zhu)要(yao)(yao)是金(jin)屬氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)（Al2O3、TiO2、MnO2等）、負載(zai)于載(zai)體(ti)上的(de)金(jin)屬或金(jin)屬氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)（CuTiO2、CuAl2O3、TiO2AlO3等）以(yi)及(ji)具有較大(da)比(bi)表(biao)面(mian)積的(de)孔材料。這(zhe)些催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑的(de)催(cui)(cui)化(hua)(hua)活性(xing)主(zhu)要(yao)(yao)表(biao)現(xian)對臭(chou)氧(yang)的(de)催(cui)(cui)化(hua)(hua)分解(jie)和促進羥基(ji)自由基(ji)的(de)產生。臭(chou)氧(yang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)氧(yang)化(hua)(hua)過(guo)程的(de)效(xiao)率主(zhu)要(yao)(yao)取決于催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑及(ji)其表(biao)面(mian)性(xing)質(zhi)、溶(rong)液的(de)pH值，這(zhe)些因素(su)能影響催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑表(biao)面(mian)活性(xing)位的(de)性(xing)質(zhi)和溶(rong)液中臭(chou)氧(yang)分解(jie)反應。

1（負載）金屬催化劑

通過(guo)一定(ding)方(fang)式制備(bei)的(de)(de)(de)金屬催(cui)化劑能夠促使水(shui)中(zhong)臭(chou)氧(yang)分解，產生具有極強(qiang)氧(yang)化性(xing)的(de)(de)(de)自由基，從而顯(xian)著提高其對水(shui)中(zhong)高穩定(ding)性(xing)有機物的(de)(de)(de)分解效(xiao)果。許多金屬可用于催(cui)化臭(chou)氧(yang)氧(yang)化過(guo)程(cheng)中(zhong)，如鈦、銅、鋅、鐵(tie)、鎳、錳(meng)等。

2 金(jin)屬氧化物

金(jin)屬氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)的合理(li)選用可直接影(ying)響催(cui)化(hua)(hua)(hua)反應(ying)(ying)機理(li)和效率。一般(ban)金(jin)屬氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)表面上的羥基(ji)基(ji)團是(shi)催(cui)化(hua)(hua)(hua)反應(ying)(ying)的活性位，它(ta)通過向水中(zhong)釋(shi)放(fang)質子和羥基(ji)，發生離(li)子交(jiao)換反應(ying)(ying)而(er)從水中(zhong)吸附(fu)陰離(li)子和陽離(li)子，形成 Bronsted酸位，而(er)該酸位通常被認為是(shi)金(jin)屬氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)的催(cui)化(hua)(hua)(hua)中(zhong)心。下面以(yi)幾種被廣泛進行了研究(jiu)的金(jin)屬氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑，例如TiO2、Al2O3、MnO2做詳細(xi)介紹(shao)。

（1）二氧(yang)化(hua)鈦TiO2

TiO2一般用作光催(cui)化(hua)(hua)反應(ying)，但是它對水中(zhong)有(you)機物的臭氧催(cui)化(hua)(hua)氧化(hua)(hua)技術(shu)也有(you)很好的效果，既(ji)可(ke)以(yi)(yi)單獨作為臭氧化(hua)(hua)反應(ying)的催(cui)化(hua)(hua)劑，又(you)可(ke)以(yi)(yi)和紫外(wai)光一起共同催(cui)化(hua)(hua)臭氧化(hua)(hua)。

Beltran等以TiO2粉末作催化劑，研究了催化臭氧(yang)化降解(jie)草酸(suan)的效果。相對于單(dan)獨臭氧(yang)氧(yang)化體系(xi)，多相催化臭氧(yang)化法對草酸(suan)的去除(chu)率和礦化程度有了極大的提升。

（2）氧(yang)化鋁Al2O3

Al2O3通常被(bei)用作(zuo)催化劑(ji)的(de)(de)(de)載(zai)體，但有(you)(you)些研(yan)究者發現它(ta)同樣具(ju)有(you)(you)一定(ding)的(de)(de)(de)催化臭(chou)氧(yang)(yang)氧(yang)(yang)化的(de)(de)(de)能力。Ni和Chen的(de)(de)(de)研(yan)究表明，y-Al2O3的(de)(de)(de)存在(zai)使2-氯(lv)酚(fen)的(de)(de)(de)有(you)(you)機碳(tan)去(qu)除率從(cong)單(dan)獨臭(chou)氧(yang)(yang)氧(yang)(yang)化的(de)(de)(de)21%提高(gao)到43%，而且臭(chou)氧(yang)(yang)的(de)(de)(de)消耗量(liang)僅為單(dan)獨臭(chou)氧(yang)(yang)氧(yang)(yang)化時的(de)(de)(de)一半(ban)，催化劑(ji)連(lian)續使用三次后去(qu)除效(xiao)果沒有(you)(you)明顯變化。

（3）二氧化錳MnO2

在(zai)所有過渡金屬氧化(hua)物中，MnO2被認為(wei)表現(xian)出了最好(hao)的催化(hua)活性，可(ke)以(yi)有效(xiao)催化(hua)降解的有機物種(zhong)類最多。

近年來(lai)，納(na)(na)米(mi)材料(liao)的(de)(de)出現為(wei)(wei)開發(fa)新型高(gao)效(xiao)的(de)(de)臭氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)材料(liao)提供了新的(de)(de)機(ji)遇，與(yu)傳統的(de)(de)體相催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)相比(bi)，納(na)(na)米(mi)材料(liao)的(de)(de)使(shi)用提高(gao)了催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)效(xiao)率(lv)。過渡金屬氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物納(na)(na)米(mi)材料(liao)在催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)領域的(de)(de)應用硏究已有許多文獻報道。在催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)臭氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)中，一些以過渡金屬氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物為(wei)(wei)活性組分的(de)(de)納(na)(na)米(mi)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)，比(bi)如CO3O4、Fe2O3、TiO ZnO等取(qu)得(de)了較好的(de)(de)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)效(xiao)果。

3 活性炭

活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭是(shi)由微小結晶和非結晶部(bu)分混(hun)合組成的碳素物質，活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭表面含有(you)大量(liang)的酸(suan)性(xing)(xing)(xing)或堿性(xing)(xing)(xing)基團，這些(xie)酸(suan)性(xing)(xing)(xing)或堿性(xing)(xing)(xing)基團的存在，特別是(shi)羥(qian)基、酚羥(qian)基的存在使(shi)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭不僅具(ju)有(you)吸(xi)附能力(li)，而且還具(ju)有(you)催化(hua)能力(li)。

臭(chou)(chou)氧(yang)(yang)(yang)/活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)協(xie)同作用(yong)(yong)過(guo)程(cheng)中，在(zai)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)的吸附(fu)(fu)作用(yong)(yong)下使(shi)臭(chou)(chou)氧(yang)(yang)(yang)加速變成羥(qian)基(ji)自由基(ji)，從(cong)而提高氧(yang)(yang)(yang)化(hua)效率。活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)作為催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)與(yu)金(jin)屬氧(yang)(yang)(yang)化(hua)物作為催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)進行催(cui)(cui)化(hua)臭(chou)(chou)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)的不同之(zhi)處在(zai)于對臭(chou)(chou)氧(yang)(yang)(yang)的分解(jie)機理(li)不同：活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)表面的路(lu)易(yi)斯堿起主要作用(yong)(yong)；而金(jin)屬氧(yang)(yang)(yang)化(hua)物表面的路(lu)易(yi)斯酸(suan)是(shi)催(cui)(cui)化(hua)過(guo)程(cheng)的活(huo)(huo)性(xing)點。另(ling)外，對活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)催(cui)(cui)化(hua)體系而言，活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)表面的吸附(fu)(fu)性(xing)能起較大作用(yong)(yong)，所以(yi)臭(chou)(chou)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)降解(jie)效率受(shou)介(jie)質酸(suan)堿性(xing)影(ying)響較大。

目前，已有(you)大量(liang)文(wen)獻(xian)敘述了多相臭氧(yang)催化氧(yang)化技術的(de)(de)機理。一般認(ren)為(wei)有(you)三種可能的(de)(de)機理：

（1）認(ren)為(wei)有機物(wu)被(bei)化(hua)(hua)學吸附(fu)在(zai)催化(hua)(hua)劑的表(biao)面(mian)，形(xing)成(cheng)(cheng)具有一定親核(he)性的表(biao)面(mian)螯合物(wu)，然后臭氧(yang)或(huo)者羥基(ji)(ji)自由基(ji)(ji)與(yu)之發生氧(yang)化(hua)(hua)反(fan)應，形(xing)成(cheng)(cheng)的中間產物(wu)能在(zai)表(biao)面(mian)進一步被(bei)氧(yang)化(hua)(hua)，也可能脫(tuo)附(fu)到溶(rong)液中被(bei)進一步氧(yang)化(hua)(hua)，如圖1所示。一些吸附(fu)容(rong)量(liang)比較大的催化(hua)(hua)劑的催化(hua)(hua)氧(yang)化(hua)(hua)體(ti)系往往遵循這(zhe)種機理。

（2）催(cui)化(hua)(hua)劑不但(dan)可(ke)以(yi)吸附有(you)機物，而且還直接與臭氧(yang)發生氧(yang)化(hua)(hua)還原反應，產生的氧(yang)化(hua)(hua)態金屬和羥基(ji)自由(you)基(ji)可(ke)以(yi)直接氧(yang)化(hua)(hua)有(you)機物，如圖2所示。