臭氧催化氧化技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用

楊杰

摘 要：臭氧催化氧化技術(shù)屬于一種新型的飲用水處理方法，其反應(yīng)階段利用OH具有較強(qiáng)的氧化能力，降解解決化學(xué)結(jié)構(gòu)繁復(fù)、很難被生物處理的有機(jī)物質(zhì)。針對這個技術(shù)的應(yīng)用原理、反應(yīng)種類和使用前景等進(jìn)行研究，同時簡單介紹臭氧催化氧化技術(shù)常見的不足。

關(guān)鍵詞：臭氧催化氧化技術(shù) OH 飲用水 使用

1、臭氧催化氧化工藝的作用原理

在水溶液內(nèi)，O3的氧化作用是經(jīng)過直接反應(yīng)與間接反應(yīng)兩種方式實(shí)現(xiàn)的。直接反應(yīng)就是O3經(jīng)過其強(qiáng)氧化性直接和有機(jī)物質(zhì)接觸反應(yīng)，轉(zhuǎn)變有機(jī)污染物的化學(xué)機(jī)構(gòu)，把不飽和烴轉(zhuǎn)變成飽和烴，把大分子量的雜質(zhì)轉(zhuǎn)變成小分子量的雜質(zhì)，這個反應(yīng)擁有選擇性；間接反應(yīng)里臭氧不直接和有機(jī)物質(zhì)作用，其是在催化劑的影響下出現(xiàn)OH基，OH基是二次氧化劑和有機(jī)污染物產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生有機(jī)自由基能夠繼續(xù)參加羥基自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，或是通過產(chǎn)生的有機(jī)氧化物自由基不斷產(chǎn)生氧化分解作用。

羥基自由基在各類深度氧化法中都會產(chǎn)生，其反應(yīng)原理有很多相似的地方。羥基自由基有很高的氧化還原電位與電子親和水平，屬于一種氧化性較強(qiáng)的基團(tuán)，在水處理時，其能夠通過親電加成、脫氫、電子轉(zhuǎn)移的手段和污染物進(jìn)行作用，并且這個反應(yīng)不具備選擇性，作用速率常數(shù)是108-1010（molL-1）-1S-1，反應(yīng)過程較為徹底。

2、臭氧催化氧化工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

臭氧催化氧化工藝是把臭氧的強(qiáng)氧化性與催化劑的吸收、催化性能融合在一起，可以有效處理有機(jī)污染物降解不徹底的問題。按照催化方式的差異，臭氧催化氧化能分成均相催化氧化與非均相催化氧化。前者是首先產(chǎn)生的一種高級氧化工藝，其是經(jīng)過向臭氧氧化結(jié)構(gòu)增添液體催化劑來實(shí)現(xiàn)的。最常見的均相催化劑主要是過渡金屬離子，包含F(xiàn)e（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）、Co（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Ag（Ι）、Cr（Ⅲ）等，在水溶液內(nèi)，金屬離子能夠引發(fā)臭氧出現(xiàn)O2-，而O2-和O3產(chǎn)生的O3-較快就分解，出現(xiàn)一個OH，讓反應(yīng)正常進(jìn)行?？墒窃贠3和金屬離自己催化氧化單元中，金屬離子催化劑通常容易在反應(yīng)階段隨著溶液而流失和分離，嚴(yán)重影響了它的實(shí)際運(yùn)用。

而非均相催化氧化是借助固體催化劑結(jié)合臭氧氧化來減少反應(yīng)活性能和轉(zhuǎn)白反應(yīng)歷程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深度氧化，最大程度上處理有機(jī)物質(zhì)的目的[1]。非均相催化氧化反應(yīng)時所涵蓋的催化劑主要有金屬、金屬氧化物、過渡金屬、多度金屬氧化物。在這個氧化單元中具有固、液、氣三種狀態(tài)，相較于均相催化氧化而言，此反應(yīng)要復(fù)雜得多，其中，固體催化劑的選用是這個技術(shù)是否擁有高效氧化水平的重點(diǎn)。

2.1 對有機(jī)物質(zhì)的處理

飲用水中的有機(jī)物質(zhì)主要有脂肪類、芳香族類和腐殖酸類，單一的臭氧氧化在有機(jī)污染物的處理上擁有選擇性、氧化效率小，但臭氧催化氧在該方面則擁有顯著的優(yōu)越性。

據(jù)調(diào)查顯示，土霉味與魚腥味屬于飲用水中存在最普遍的兩種氣味，2-MIB、Geosmin、IBMP、IPMP和TCA是造成土霉味的最關(guān)鍵物質(zhì)[2]。對于很難被氧化損壞的致臭微量物質(zhì)，O3催化氧化作為最優(yōu)競爭水平的氧化工藝，對2-MIB與Geosmin的氧化損壞主要有OH來實(shí)現(xiàn)，并且滿足一級動力學(xué)反應(yīng)模型。實(shí)踐顯示，TiO2等固體催化劑的添加可以促使溶液中出現(xiàn)更多的羥基自由基，進(jìn)而大大提升臭氧氧化對臭味雜質(zhì)的處理效果。

2.2 對O3氧化副產(chǎn)物的管理

溴酸鹽是一種關(guān)鍵的O3氧化副產(chǎn)物，已被國際癌癥研究單位定為2B級潛藏致癌化合物，由于其產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜，當(dāng)前還沒有一種很好的方法去完全處理它[3]。研究顯示，催化劑的增加能夠轉(zhuǎn)換溴酸鹽的形成途徑，所以通過使用O3催化氧化技術(shù)來改良O3的氧化條件，進(jìn)而控制溴酸鹽的開發(fā)成為處理飲用水的關(guān)鍵。

O3催化氧化在管理溴酸鹽上的隱性因素是多角度的，主要有催化劑的種類和用量、溴離子的濃度、溶液的酸堿值、反應(yīng)氣溫等，其作用原理主要是優(yōu)化O3的氧化技術(shù)，延伸O3ID反應(yīng)過程的接觸施加，減少溶液中的剩余O3濃度，進(jìn)而管控溴酸鹽的形成[4]。研究顯示，在O3投量是2mg/L、水溫是6攝氏度到22攝氏度時，O3催化氧化出水內(nèi)的剩余O3含量是0.019到0.08mg/L，而單純O3氧化出水內(nèi)的剩余O3濃度是0.03到0.43mg/L。

O3催化氧化在管理溴酸鹽生成上具有較大的優(yōu)勢，但單一的O3催化氧化技術(shù)并不能完全控制溴酸鹽的形成，所以一定要開發(fā)O3催化氧化的后續(xù)聯(lián)用技術(shù)，來進(jìn)行溴酸鹽與有機(jī)物質(zhì)的管控。相關(guān)研究人員比較了O3催化氧化-活性聯(lián)用技術(shù)和單一O3催化氧化技術(shù)在溴酸鹽上的去除效果，研究顯示，聯(lián)用技術(shù)出水中的溴酸鹽含量要比后者少，超標(biāo)率也從30%減少到0。

O3催化氧化階段出現(xiàn)的OH是一種二次氧化劑，擁有較強(qiáng)的強(qiáng)化性，對微量高可靠性的有機(jī)污染物擁有較好的處理水平[5]。O3催化氧化能夠提高O3的使用率，提升氧化作用效率，降低O3氧化副產(chǎn)物的形成。因此在飲用水處理過程中這個工藝將會有十分廣闊的使用前景。但是，O3催化氧化技術(shù)是一種新型技術(shù)，還有很多需要解決的問題，比如，其反應(yīng)機(jī)理還不明確。在催化反應(yīng)中，尤其是非均相催化氧化單元，反應(yīng)環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，對于不同的有機(jī)物質(zhì)一定要使用不同的催化劑，因此當(dāng)前試驗(yàn)階段不同研究人員所獲得的結(jié)論存在一定的矛盾，還需要加大對催化機(jī)理的進(jìn)一步探究。

參考文獻(xiàn)

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