高效催化氧化技术在水处理行业的运用

Posted 2023-01-14 催化剂

篇首语：知识以生命为前提，以经验为条件。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了高效催化氧化技术在水处理行业的运用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1.过氧化氢催化氧化

催化氧化法的种类很多，最常用的是过氧化氢氧化法。

过氧化氢在氧化消毒试剂中具有特殊的地位，因为它除了强的氧化作用外也具有还原性，而且在水溶液中形成过氧羟基可是许多污染物迅速水解。过氧化氢可用于有毒废弃物的氧化破坏、废水的消毒、除味，可以满意地解决许多废液问题。H2O2的特点是在较宽的pH值范围内具有高的反应活性，不产生有毒的反应产物，另外它比其它氧化剂稳定的多。

过氧化氢与亚铁离子结合形成的Fenton试剂，具有极强的氧化能力，对于许多种类的有机物都是一种有效的氧化剂。开发Fenton试剂在工业废水处理中的应用，国内外已进行了广泛的研究。Fenton试剂特别适用于生物难降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水的氧化处理。

Fenton试剂之所以具有非常强的氧化能力，是由于过氧化氢在催化剂铁等存在时，能生成氢氧自由基（·OH）。氢氧自由基比其他一些常用的氧化剂具有更高的氧化电极电位，因此·OH是一种很强的氧化剂，另外氢氧自由基具有很高的电负性或亲电子性，其电子亲和能力为569.3kJ，容易进攻高电子云密度点，这就决定了·OH的进攻具有一定的选择性。

2.二氧化氯催化氧化

化工行业的生产废水性质复杂，普遍具有“三高一差”的特点，即COD高，含盐量高，色度高，可生化性差。许多废水具有较强的毒性，是典型的有毒性难降解有机废水。由于其对微生物具有高毒性，所以难以采用传统的生物处理技术，其它如Fenton试剂、光化学催化氧化等方法，对废水的COD有一定的处理效果，但也由于经济和技术原因，难以达到工业应用的水平。因此急需寻找一条处理的新途径。

二氧化氯催化氧化法是近年来发展起来的水处理高级氧化技术之一，它是在化学氧化法的基础上改进、发展起来的，并逐渐成为研究的一个热点。常用的氧化剂有O3、H2O2、NaClO3及ClO2等，其中，二氧化氯是一种新型高效氧化剂。

二氧化氯催化氧化的原理就是在表面催化剂存在的条件下，利用强氧化剂——二氧化氯在常温常压下催化氧化废水中的有机污染物，或直接将有机污染物氧化成二氧化碳和水，或将大分子有机污染物氧化成小分子有机污染物，提高废水的可生化性，能较好的去除有机污染物。在降解COD的过程中，打断有机分子中的双键发色团，如偶氮基，硝基，硫化羟基，碳亚氨基等，达到脱色的目的，同时有效地提高BOD/COD值，使之易与生化降解。这样，二氧化氯催化氧化反应在高浓度，高毒性，高含盐量废水中充当常规物化预处理和生化处理之间的桥梁。

本反应的核心为三相催化氧化。这三相分别是：由风机送入塔内的压缩空气(气相)，药剂发生器产生的高效氧化剂（液相），和固定在载体上的催化剂（固相），其中催化剂为复合型贵金属化合物，正是该催化剂的作用，使空气中的氧气也作为氧化剂参与反应，从而减少了液相氧化剂的耗量，降低了处理成本，提高了处理效率，又能使反应速度大大加快，缩短了废水在塔内的停留时间。废水经预处理除去水中杂物后，进入催化氧化塔，水中有机污染物在催化剂的作用下被氧化剂分解，苯环，杂环类有机物被开环，断链，大分子变成小分子，小分子再进一步被氧化为二氧化碳和水，从而使废水中的COD值大幅度降低，色泽基本褪尽，同时提高了BOD/COD的比值，降低了废水的毒性，提高了废水的可生化性，为后续生化处理创造条件，使废水处理后达标排放。

此反应的适用范围: 1 含芳香族类化工废水；2 染料类化工废水；3 农药、医药、兽药类化工废水；4 含氟、氰类化工废水；5 焦化废水

特点：

投资省，效果好，工艺流程短，操作简便易行，常温常压，可间断运行也可连续运行。无沉渣沉泥产生，对环境无二次污染。

3.催化臭氧化

催化臭氧化技术是近年发展起来的一种新型的在常温常压下将那些难以用臭氧单独氧化或降解的有机物氧化的方法，同其他高级氧化技术(如O3/H2O2、UV/O3、UV/H2O2、UV/H2O2/O3、TiO2/UV和CWAO等)一样，也是利用反应过程中产生的大量强氧化性自由基(羟基自由基)来氧化分解水中的有机物从而达到水质净化。羟基自由基非常活泼，与大多数有机物反应时速率常数通常为106～109M-1·s-1。

可作为催化剂的有：铜系列催化剂、三氧化二铝基催化剂、锐钛矿和绿坡缕石基催化剂、金属钌负载在二氧化铈(200m2/g)上作催化剂、过渡金属

催化臭氧化对水中有机物去除率较单独吸附和单独臭氧化之和还要高，而且消耗的臭氧量也大为减少；氯化消毒处理时，催化臭氧化比同样条件下单独臭氧化或臭氧过氧化氢氧化所需的氯量减少；此外即使在氯化消毒工艺加同样的氯量，催化臭氧化作为氯化预处理工艺所产生的三卤甲烷量较预臭氧化和预氯化工艺所形成的三卤甲烷量少。

4.光催化氧化

光催化氧化以N型半导体为催化剂，各种催化剂活性顺序为TiO2＞ZnO＞WO3。TiO2是常用的催化剂。TiO2的性质，光化学性十分稳定，无毒价廉，货源充足。

光催化氧化法是近20年才出现的水处理技术，在足够的反应时间内通常可以将有机物完全矿化为CO2和H2O等简单无机物，避免了二次污染，简单高效而有发展前途。由于以二氧化钛粉末为催化剂的光催化氧化法存在催化剂分离回收的问题，影响了该技术在实际中的应用，最新研制了一种复合催化剂膜，是将粉末活性炭和TiO2联合固定的一种膜，其催化剂的附着性和去除效果均优于纯TiO2膜，为光催化氧化技术找到了更加理想的复合催化剂及其工程应用的方法。

5.纳米TiO2光催化氧化技术

原理和特点

其作用原理是，在紫外光照射下，纳米TiO2表面会产生氧化能力极强的羟基自由基(·OH)，使水中的有机污染物氧化降解为无害的CO2和水。纳米TiO2光催化氧化技术的优点是： ①降解速度快，一般只需几十分钟到几小时即可取得良好的废水处理效果；②降解无选择性，几乎能降解任何有机物，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；③氧化反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在阳光下即可发生光催化氧化反应；④无二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H2O；⑤应用范围广，几乎所有的污水都可以采用。

应用范围

（1）有机磷农药废水处理。

采用纳米TiO2·SiO2负载型复合光催化剂，利用其光催化活性及高效吸附性，能使有机磷农药在其表面迅速富集，随光照时间的延长，有机磷农药的光解率逐渐升高，光照80min，可完全降解。

(2)毛纺染整废水处理。

把表面涂覆有纳米TiO2膜的玻璃填料填充于玻璃反应器内，通过潜水泵使废水在反应器内循环进行光催化氧化处理。由于纳米TiO2具有巨大的比表面积，与废水中的有机物接触更为充分，可将它们最大限度地吸附在其表面，并迅速将有机物分解成CO2和H2O，处理效果优于生物处理和悬浮光催化氧化处理，COD去除率和脱色率均较高。催化剂能连续使用，不需要分离回收，便于工业应用。

(3)氯代有机物废水处理。

日本东京大学野口真用纳米TiO2光催化剂与臭氧联合进行水的净化处理。在模拟废水处理的试验中，以16mg/L 3-氯酚的水溶液为模拟废水，分别采用纳米TiO2光催化剂与臭氧联合、单独用光催化剂纳米TiO2和单独用O3三种方法对其进行处理。纳米TiO2光催化剂与臭氧联合处理2 h后，3-氯酚的残留浓度已为0 ，效果明显高于其他两种方法。用内表面涂覆纳米TiO2光催化剂的陶瓷圆管处理5.5 mg/ L苯酚和三氯乙烯水溶液的试验表明，苯酚在1.5 h后完全分解，三氯乙烯也在2 h内完全分解。

(4)含油废水处理。

含油废水中所含的脂肪烃、多环芳烃、有机酸类、酚类等有机物很难降解，使用纳米TiO2，利用其光催化降解功能，可以迅速地降解这些有机物。

应用前景

纳米TiO2光催化氧化技术在彻底降解水中的有机污染物和可以利用太阳能等方面有着突出的优点，特别是当水中的有机污染物浓度很高或用其他方法难以处理时，具有更明显的优势，是其他传统方法无法比拟的，尤其是近年来高效率的光催化剂、纳米粒子负载和金属掺杂、光电结合的催化方法以及太阳能技术的研究开发，使纳米TiO2光催化氧化应用于水处理领域有着良好的前景。