臭氧催化氧化之UVO3氧化机理

氧催化氧化之UV/O3氧化机理

 

1.臭氧催化氧化的研发背景

单独臭氧氧化工艺已被广泛应用于给水和污水处理过程中，但还存在很多问题：

一是臭氧传质效率低且在水中极不稳定，造成臭氧的利用率不高，加上臭氧的生产成本较高，导致臭氧氧化工艺价格昂贵；

二是臭氧对有机物的降解具有较强的选择性，与一些有机污染物(例如不活泼的芳香烃)的反应速率很低；

三是单独臭氧氧化对微污染饮用水体的矿化度很低，水体中的有机物只能被氧化成羧酸、酮、醛类小分子物质，有些中间产物的毒性甚至大于源物质。

 

2.臭氧催化氧化技术特点

臭氧催化氧化技术属于高级氧化技术的范畴，它是通过催化途径，加速臭氧链式反应产生氧化能力极强的羟基自由基，达到提高臭氧氧化能力的目的。目前，对臭氧氧化饮用水除污染技术的研究主要集中在提高臭氧在水中的传质溶解和提高羟基自由基(·OH)生成的速率和数量，以强化臭氧对水中有机污染物的降解和去除效果。·OH具有较高的氧化电位，因此在水处理中有以下特点: 

(1)羟基自由基是高级氧化过程的中间产物，非常活泼，与大多数有机物反应时速率常数通常为10⁶~10⁹L/mol·s,作为引发剂诱发后面的链反应发生，对难降解物质的开环、断键，将难降解的污染物变成低分子或易生物降解的物质特别适用。 

(2)羟基自由基几乎无选择地与废水中的任何污染物质发生反应，直接将其氧化成二氧化碳、水或者盐，不会产生二次污染。 

(3)它是一种物理-化学处理过程，很容易控制，以满足各种处理要求。 

(4)反应条件温和，是一种高效节能型的废水处理技术。某些有机物和臭氧氧化与羟基自由基氧化速率比较见表1-2。从表中可以看出羟基自由基与有机物反应的速率常数一般比臭氧与该有机物反应速率常数至少高出7个数量级。 

催化臭氧氧化技术主要分为两大类:一类是以金属离子为催化剂的均相催化臭氧氧化技术，一类是以固体物质等为催化剂的非均相催化臭氧氧化技术。

3.UV耦合臭氧技术介绍

UV/03是将臭氧与UV相结合的一种高级氧化过程。这一方法不是利用臭氧与有机物直接反应，而是利用臭氧在紫外光的照射下分解产生的活泼的次生氧化剂来氧化有机物。

UV/03法始于20世纪70年代，主要是针对有毒有害且无法生物降解的有机污染物的处理。20世纪80年代以来，研究范围扩大到饮用水的深度处理。这种方法的氧化能力和反应速率都远远超过单独使用UV或臭氧所能达到的效果，其反应速率是臭氧化法的100~1000倍，Prengle和他的合作者在实验中首先发现了UV/03系统可显著地提高有机物的降解速率，大大降低其COD和BOD。

多氯联苯、六氯苯、三卤甲烷和四氯化碳等难降解污染物不与臭氧反应，但在UV/O3联合作用下它们均可被迅速氧化，此法已被美国环保局鉴定为处理多氯联苯的最有效技术。 

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4.【工艺原理】UV/O3氧化机制

如果水中的有机物仅仅是被臭氧氧化，那么臭氧的分解将影响有机物的氧化速率，然而实验表明，在UV/0体系中，UV光照不但使臭氧分子吸收254nm处的紫外光而激活，也使其他有机分子对氧化更敏感。

如前所述，在水中，臭氧能够吸收紫外光并迅速分解产生·OH,因此在该系统中，臭氧分解速率越快， 有机物的氧化降解速率就越快。

在UV/O3体系中，有机物不仅被臭氧直接氧化， 而且能被臭氧分解的产物氧化，并且后者在紫外光作用下占主导地位。一般认为UV/O3 体系中的氧化反应为自由基型，即液相臭氧在紫外光辐射下会产生.OH,由·OH与水中的溶解物进行反应。

5.【应用新领域】在饮用水方面的应用

UV/03技术在饮用水深度处理和难降解有机废水的处理中具有良好的应用前景，并且一个主要的优势是在氧化以后，处理水中检测不到三卤甲烷化合物。

但在实际工程运用中还存在一些缺点：

（1）、首先建设投资大、运行费用较高；臭氧是不稳定的气体，必须在使用地点生产并立即应用，同时还要有一个将气态的臭氧转移到液相中去的臭氧-水接触装置；

（2）、该工艺要求有专业的操作技能，以使臭氧能尽量的转移到液相中去，因为在吸光不明显和渗滤液中颗粒的浓度较低时，紫外光在整个工艺中就起着一个主要的作用

（3）、由于臭氧起泡作用阻碍了紫外光的转移，使得UV/03工艺对COD的去除率降低。