臭氧氧化技術(shù)處理有機(jī)廢水研究進(jìn)展

摘 ?要：分別從分子態(tài)臭氧直接氧化和催化臭氧氧化兩個方面闡述了臭氧氧化處理有機(jī)廢水的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了臭氧氧化處理技術(shù)研究現(xiàn)狀，并指出了臭氧氧化技術(shù)處理有機(jī)廢水存在的問題，展望了今后研究的方向。

關(guān)鍵詞：臭氧氧化;有機(jī)廢水;研究進(jìn)展

前言

臭氧是氧氣的同素異形體，具有較高的氧化能力（標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位2.07V），在污水處理領(lǐng)域常被用作消毒劑、脫色劑以及降解水中的有機(jī)污染物的氧化劑[1，2]。臭氧氧化降解水中有機(jī)污染物分為分子態(tài)臭氧氧化（直接氧化）以及催化臭氧氧化（間接氧化）兩種機(jī)理。分子態(tài)臭氧直接氧化有機(jī)污染物反應(yīng)較慢，并且具有選擇性，只能氧化具有供電子集團(tuán)的有機(jī)污染物。催化臭氧氧化是通過添加催化劑的方式使得臭氧在水中快速分解，產(chǎn)生大量氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基來降解有機(jī)污染物的方法[3]。

直接氧化

臭氧直接氧化有機(jī)污染物是指分子態(tài)的臭氧直接與有機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)，降解有機(jī)污染物的過程。該過程具有選擇性，受有機(jī)污染物結(jié)構(gòu)影響較大，反應(yīng)速率較慢[4]。由于分子態(tài)臭氧直接氧化降解有機(jī)污染物只能將大分子有機(jī)物氧化為小分子有機(jī)物，在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物高效降解和徹底礦化，再加上較低的反應(yīng)速率以及反應(yīng)選擇性等因素，分子態(tài)臭氧直接氧化法在廢水處理中應(yīng)用的限制較大。

催化臭氧氧化

為擺脫分子態(tài)臭氧直接氧化的諸多限制性，許多研究專注于臭氧分子的催化氧化，利用催化劑加快臭氧在水中的鏈?zhǔn)椒纸夥磻?yīng)，得到大量活性極強(qiáng)的羥基自由基（·OH）來降解污染物，以達(dá)到無選擇性地降解污染物和使污染物徹底礦化的目的[4]。

臭氧分子在水中的分解反應(yīng)為一系列的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，分為鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止三個階段，表1.1為常見的臭氧鏈?zhǔn)椒纸夥磻?yīng)及反應(yīng)速率常數(shù)。

在過渡態(tài)金屬離子催化臭氧降解有機(jī)污染物的技術(shù)中，無論是游離態(tài)金屬離子，還是反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)（如鐵的絮凝物質(zhì)），在降解污染物的同時(shí)都不可避免的帶來了二次污染，需要對游離態(tài)金屬離子及其絮凝物質(zhì)進(jìn)行二次處理，一定程度上限制了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

金屬氧化物催化臭氧

金屬氧化物對臭氧非均相催化的機(jī)理為：（1）附著在載體表面的氧化態(tài)金屬或還原態(tài)金屬直接催化臭氧產(chǎn)生·OH [6];（2）金屬氧化物的非解離羥基催化臭氧產(chǎn)生·OH [7];（3）臭氧在催化劑表面后形成活性物質(zhì)，與同樣被吸附在催化劑表面的污染物反應(yīng)，降解污染物[8]。相對于過渡態(tài)金屬離子催化臭氧，金屬氧化物非均相催化臭氧具有易回收催化劑、無二次污染風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，是當(dāng)下催化臭氧氧化法較熱門的研究方向。

碳基材料催化臭氧

碳材料也能催化臭氧產(chǎn)生·OH [9]。由于碳材料擁有巨大的比較面積，常用作吸附水中污染物的吸附劑，對水中的污染物有富集作用，并且碳材料表面存在的許多活性點(diǎn)位（一般是官能團(tuán)）可作為催化臭氧的反應(yīng)場所。碳材料催化臭氧的機(jī)理一般認(rèn)為有兩種，較受認(rèn)可的一種觀點(diǎn)認(rèn)為碳材料具有的較大比表面積和孔隙率提高了反應(yīng)過程中的傳質(zhì)速率，但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，是碳材料表面的堿性點(diǎn)位和羥基催化了臭氧分解。

UV催化臭氧

紫外光也能高效催化臭氧產(chǎn)生·OH降解水中的有機(jī)物[10]。常見的處理工藝主要有UV/O3、UV/H2O2/O3等。UV/O3處理工藝在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的價(jià)值，能高效處理工業(yè)廢水中的鐵氰酸鹽、氨基酸以及多氯聯(lián)苯等[11，12]。UV/H2O2/O3的協(xié)同處理工藝對于揮發(fā)性有機(jī)氯化合物的去除效率極高，也能徹底礦化芳香族化合物[12]。

結(jié)語

臭氧的催化氧化相對于分子態(tài)臭氧直接氧化，大大提高了反應(yīng)速率和降解效率，突破了分子態(tài)臭氧直接氧化技術(shù)不能徹底礦化有機(jī)污染物的限制，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和研究必要性。由于臭氧在水中的溶解率較低，目前催化臭氧的主要研究方向是如何提高臭氧的利用效率，以及研制更高效和更低能耗的臭氧發(fā)生裝置，來克服臭氧產(chǎn)生效率低下且成本高的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] ?WILDE M L，MONTIPó S，MARTINS A F. Degradation of β-blockers in hospital wastewater by means of ozonation and Fe2+/ozonation [J]. Water Research，2014，48（0）：280-295.

[2] ?WANG J，BAI Z. Fe-based catalysts for heterogeneous catalytic ozonation of emerging contaminants in water and wastewater [J]. Chemical Engineering Journal，2016，312（79-98.

[3] ?DAI Q，WANG J，YU J，et al. Catalytic ozonation for the degradation of acetylsalicylic acid in aqueous solution by magnetic CeO2 nanometer catalyst particles [J]. Applied Catalysis B：Environmental，2014，144（0）：686-693.

[4] ?KASPRZYK-HORDERN B，ZIó?EK M，NAWROCKI J. Catalytic ozonation and methods of enhancing molecular ozone reactions in water treatment [J]. Appl Catal B Environ 2003，46（4）：639-669.

[5] ?NAWROCKI J，KASPRZYK-HORDERN B. The efficiency and mechanisms of catalytic ozonation [J]. Appl Catal B Environ 2010，99（1–2）：27-42.

[6] ?曹影. 過一硫酸鹽催化臭氧降解氯霉素效能及機(jī)理研究 [D];哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.

[7] ?ZHANG H，XIONG Z，JI F，et al. Pretreatment of shale gas drilling flowback fluid（SGDF）by the microscale Fe0/persulfate/O3 process（mFe0/PS/O3）[J]. Chemosphere，2017，176（192-201.

[8] ?楊志超. 非均相催化臭氧氧化對氯硝基苯效能與機(jī)理研究 [D];西南交通大學(xué)，2016.

[9] ?白智勇. 催化臭氧技術(shù)降解污水中抗生素類污染物的效能和原理研究 [D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2017.

[10] ?FU P，F(xiàn)ENG J，YANG T，et al. Comparison of alkyl xanthates degradation in aqueous solution by the O3 and UV/O3 processes：Efficiency，mineralization and ozone utilization [J]. Minerals Engineering，2015，81（128-134.

[11] ?OHLENBUSCH G，HESSE S，F(xiàn)RIMMEL F H. Effects of ozone treatment on the soil organic matter on contaminated sites [J]. Chemosphere，1998，37（8）：1557-1569.

[12] ?GOGATE P R，PANDIT A B. A review of imperative technologies for wastewater treatment I：Oxidation technologies at ambient conditions [J]. Advances in Environmental Research，2004，8（3-4）：501-551.

作者簡介：李友（1994.4-），男，陜西咸陽人，四川大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)研究生。