1、非均相催化臭氧氧化技術簡述
非均相催化臭氧氧化技術與均相催化臭氧氧化技術相比而言,其催化劑的優(yōu)點比較突出,例如對有機物的礦化率進行有效提升、降低水處理成本以及易于回收處理等,所以該技術受到的關注比較多。在非均相催化臭氧氧化反應中,金屬氧化物型催化劑、負載型催化劑、礦物型或者改性礦物型催化劑以及活性炭型催化劑,是使用的最為廣泛的四種類型。
盡管相關人員在該領域內進行了大量的研究,但是對于催化反應機制的具體情況,卻依然沒有廣泛的認同。對非均相催化劑催化臭氧分解機理進行明確,是非常有必要的,它可以提升對臭氧的高效利用。與此同時,整個反應的活性以及反應機理,催化劑的性能都起著重要的決定作用,對非均相臭氧催化劑的氧化基本規(guī)律進行掌握,可以提升催化劑的有效性以及經濟性。
2 、非均相催化臭氧反應的影響因素
在臭氧氧化效率影響因素中,催化劑負載量是一項非常重要的指標,為了提升臭氧氧化效率,需要對催化劑負載量進行控制,如果負載量過高,就會讓活性組分晶粒分布的均勻性受到影響,同時還會增加活性組分晶粒的體積,致使其在焙燒的過程中出現團聚或者燒結的情況,影響催化劑的性能。
現目前主要是將貴金屬以及過渡金屬等活性成分用于催化臭氧氧化中,貴金屬以及過渡金屬在這個過程中都可以起到提升催化效率以及降低反應活化能的作用。通常情況下,對載體的選擇一般是具有較好的機械強度的支撐體,與此同時,對一定的吸附能力進行提供。相關研究人員研究出了具有較好表面性質以及高溫熱穩(wěn)定性的改性活性氧化鋁。
非均相臭氧氧化催化劑的主要制作工藝有三種,分別是沉淀法、溶膠 - 凝膠法、浸漬法等。所采用的工藝不一樣,其所需要的制備條件也不就一樣,因此制備工藝的不同,也造就了催化劑的催化性能之間的差異。
催化劑的投加劑量、污染物濃度、反應溫度、臭氧產量及 pH 等,都是催化臭氧氧化過程中的主要影響因素。為了降低對其的影響,還應該對催化劑的投加量進行控制,通過研究我們發(fā)現,使用將聚合氧化鋁作為載體的銅鎳雙組分催化劑對臭氧氧化進行催化,在一定的范圍內,催化劑的投加量越高,污泥沉降性能越好,與此同時,TP 以及 COD 的去除率也有一定程度上的增加,超過一定的范圍,催化劑投加量越高,COD 會有所下降。
在進行實驗的過程中,還需要對污染物濃度、反應時間、反應溫度以及 pH 等進行關注和考慮。研究人員通過采用水熱法制備了納米 a-MnO 催化劑,對臭氧氧化降解水中的雙酚 A 進行催化,同時對不同反應條件下的降解率影響因素進行了考察,最后發(fā)現,當催化劑的加入量為 100 mg/L,初始 pH8.5,反應溫度為 18 ℃時,其降解效果是最好的。當處理質量濃度為 10 pg/mL 的雙酚 A 溶液 120 min 去除率可以達到 74.1%。同時,通過研究還發(fā)現催化劑的使用次數越多,其活性就會隨著使用次數增加而逐漸變低,催化活性具有一定的穩(wěn)定性。
3、非均相催化臭氧反應的機理
在非均相催化臭氧氧化反應中,主要的反應機理有三種 :首先是有機分子在催化劑表面吸附,然后與汽液中的臭氧發(fā)生反應,第二種是臭氧吸附在催化劑的表面上,與之反應生成 OH,并與有機物發(fā)生反應。最后一種是有機分子以及臭氧全部被化學吸收,而吸附組分之間發(fā)生相互反應。
3.1、催化劑表面羥自由基集團反應機理
羥自由基在一定程度上可對系統(tǒng)的氧化能力進行提升,讓目標物的分解效率得到提高。羥自由基在系統(tǒng)催化劑中的應用情況,目前已得到了多方面的研究。臭氧在催化劑表面的分級,對于催化劑活性而言,起著決定性作用的表面堿性含氧基團是催化劑的活性中心,例如羥基基團等。將催化劑在溶液中進行添加時,因為表面電荷沒有得到平衡的原因,使得水分子吸附在金屬氧化物的表面,由于吸附效果強烈,會讓水離解生成表面羥基。所以不論是金屬負載氧化物還是金屬氧化等,凡是屬于氧化物,其表面大多數情況都會有羥基基團存在。需要注意的是,臭氧分子結構中,所包含的氧原子的電子密度更加高,這會讓位于金屬氧化物表面的Lewis 的酸味點親和力更加強。由此可見,表面羥基是催化臭氧反應中非常重要的活性基團,其作用是非常重要的。
3.2、改性催化劑催化臭氧反應機理
活性分組不論是就表面活性位變化而言,還是對于載體的分布形態(tài)而言,其對于催化劑的催化效果是不容置疑的。當前對催化劑的研制,主要包含了以下三種,分別是改性礦物、活性炭、金屬氧化物等。貴金屬的催化效果非常高,但是貴金屬的價格也非常昂貴,這使得貴金屬的應用受到了較大的限制。因此,大對數情況下,會通過在其他催化劑中加入貴金屬元素進行催化劑的研究。隨著研究越來越深入,我們發(fā)現利用載體可以讓催化劑的使用成本得到降低,同時催化劑以及載體之間進行的相互作用,還可以讓催化劑的性能得到改善。所以在催化劑中添加低價金屬等運用的越來越多。催化劑與催化劑之間的相互輔助、催化劑與載體之間的相互作用,都可以讓表面的活性點位增加,以此讓臭氧分解得到促進,并產生氧化活性五種,讓催化性能得到提升。
4、結語
非均相催化臭氧氧化反應作為高級氧化技術之一,由于其較強的氧化能力,以及可以有效減少臭氧投加量和提升有機物礦化率等優(yōu)點,被運用的越來越多。在對污染物進行降解的過程中,最為主要的氧化劑就是臭氧分解所產生的氧活性物種,因此在相關領域中,臭氧在催化劑表面進行分解的過程一直是重點研究內容。在臭氧分解所產生的含氧活性物種的過程中,起著關鍵性作用的是催化劑表面性質。其原因是表面活性位點的含量以及特性是由催化劑表面性質決定的。雖然臭氧氧化技術使用工藝的時間已經長達一百多年,但是該領域內依然有很多機制是我們不了解的,在現今所掌握的知識中,還有相當一部分存在較多的缺陷,例如催化劑失活、催化劑活性等,這些需要我們進行深入的研究以及理解。目前我們應該致力于更加深入的理論研究,通過理論研究的進步,讓技術的進步得到推動。
作者:孔欠欠