臭氧催化氧化工艺中催化剂选型与用量计算

臭氧催化氧化技术（Ozone Catalytic Oxidation, O?/ACO）。它是一种高级氧化技术（AOPs），利用臭氧（O?）在催化剂作用下生成高活性的自由基（如羟基自由基·OH），以高效降解有机污染物，广泛应用于工业废水深度处理、难降解污染物去除等领域。但在水处理项目中吗，很多水处理人士对催化剂选型与用量确定不当，导致实际运行过程中，臭氧催化氧化效率低。

一、臭氧催化氧化原理

臭氧本身是一种强氧化剂，可以直接氧化污染物，但其氧化能力有限。而在催化剂的作用下，臭氧能发生以下催化反应，产生更强氧化能力的羟基自由基（·OH）。

羟基自由基（·OH）的氧化能力（E? = 2.80 V）远高于臭氧（E? = 2.07 V），可有效降解难生物降解的有机物，如染料、抗生素、酚类、多环芳烃等。臭氧催化氧化工艺中催化剂的作用包括：促进臭氧分解，生成更多羟基自由基（·OH）；提高氧化选择性，减少臭氧的无效分解；增强矿化效果，加速污染物降解为CO?和H?O；减少臭氧用量，降低运行成本。

二、催化剂选型

常见催化剂包括：金属氧化物催化剂（MnO?、Fe?O?、TiO?、Co?O? 等）、负载型催化剂（活性炭负载 Mn、Fe、Cu 等）、复合催化剂（Ce-Mn/TiO?、Fe-Cu/Al?O? 等）、贵金属催化剂（Pd/γ-Al2O3、Ru/TiO2）。

金属氧化物催化剂的优点是促进臭氧分解，提高羟基自由基（·OH）生成效率，价格较低，易获取，结构稳定，使用寿命长；缺点是单一金属氧化物活性较低，需要负载或掺杂改性，在高浓盐水或酸性环境中中易被腐蚀，活性较低，催化剂易钝化。适合使用这种催化剂的场景为：中性或碱性废水，如印染废水、制药废水等。

负载型催化剂优点是载体活性炭本身有良好的吸附性能，可提高污染物去除率，负载金属后，提高臭氧分解效率，增强氧化能力；长时间使用后，活性炭易堵塞失活，制备工艺复杂，成本较高，需定期再生，否则催化活性下降。适合使用这种催化剂的场景为：低浓度难降解有机废水，如微污染废水。

复合催化剂优点是结合多种金属氧化物，提高臭氧催化活性，可调控催化剂结构，优化活性点位，提高氧化效率，适应性强，可在不同pH、温度条件下使用；缺点是制备工艺复杂，成本较高，部分催化剂可能存在金属溶出问题，工业应用尚需进一步优化。适合使用这种催化剂的场景为：高浓度难降解废水，如石化废水、抗生素废水。

贵金属催化剂优点是催化活性极高，可大幅度提高氧化效率；缺点是价格昂贵，工业应用受限，催化剂易中毒失活。适合使用这种催化剂的场景为：高附加值水处理，如实验室研究、高端工业应用。

三、催化剂用量计算

催化剂用量的常规范围如下表所示。

催化剂用量:

1.可根据臭氧需求量计算。

已知臭氧投加量 （g/L），则催化剂投加量可按下式计算。

式中：Ccat为每升水所需的催化剂用量，g/L；CO为臭氧投加量，一般2~10 mg/L；r 为催化剂与臭氧的质量比，g/gO3，可参照上表取值。例如某臭氧催化氧化工艺中臭氧投加量为CO = 5 mg/L，选择金属氧化物催化剂，取r = 0.3，则Ccat = (5÷1000)×0.3 = 0.0015 g/L，即1m?水需要1.5 g催化剂。

2. 根据床体填充体积比计算

对于固定床或流化床反应器，催化剂用量通常以填充体积比计算，如下式所示。

式中：Vcat为催化剂填充体积，m?；f 为催化剂填充率，一般在10%~30%之间；Vreactor为反应器有效容积，m?。例如反应器容积为Vreactor = 40 m?，选择金属氧化物催化剂，催化剂填充率取f = 20%，则催化剂填充体积为Vcat = 40×20% = 8 m?，催化剂的堆积密度为1.5 g/m?，则需要催化剂8×1.5=12 t。

四、总结

催化剂的选型和用量直接关系到氧化效果和投资成本。用量过少，催化效果不明显；用量过多可能导致催化剂堆积、增加成本，甚至出现催化剂颗粒聚集、降低活性的问题。