Каталитическая озоновая технология для очистки воды. Краткое изложение трех обычно используемых катализаторов
Технология озонового каталитического окисления представляет собой передовую технологию окисления на основе озона, которая сочетает в себе сильные окислительные свойства озона и адсорбционные и каталитические свойства катализатора и может более эффективно решить проблему неполного разложения органических веществ.
Технология озонового каталитического окисления делится на технологию гомогенного озонового каталитического окисления и технологию многофазного озонового каталитического окисления в зависимости от фазового состояния катализатора. В технологии гомогенного каталитического окисления озоном катализатор равномерно распределен и обладает высокой каталитической активностью, а механизм действия ясен, его легко изучить и понять. Однако его недостатки также очевидны: катализатор смешивается с водой, что приводит к его легкой потере, его нелегко восстановить и вызвать вторичное загрязнение, высокие эксплуатационные расходы, увеличение стоимости очистки воды. Технология многофазного каталитического окисления озоном с использованием твердых катализаторов при атмосферном давлении для ускорения реакции окисления жидкой фазы (или газовой фазы), катализатор существует в твердом состоянии, легко отделяется от воды, меньше вторичного загрязнения и упрощает обработку. процесс, который все больше привлекает всеобщее внимание.
Для технологии озонового каталитического окисления выбор твердых катализаторов является ключом к эффективной эффективности технологии окисления. Установлено, что многофазные катализаторы выполняют три основные роли:
Во-первых, адсорбция органических веществ. Для катализаторов с относительно большой адсорбционной способностью, когда вода вступает в контакт с катализатором, органические вещества в воде сначала адсорбируются на поверхности этих катализаторов, образуя поверхностные хелаты со сродством, вызывая окисление озоном. более эффективный.
Во-вторых, каталитическая активация молекул озона, этот тип катализатора обладает высокой эффективностью каталитической активности, может эффективно каталитически активировать молекулы озона, молекулы озона в роли такого катализатора легко разлагаются и производят, например, гидроксильные радикалы и другие сильно окисляющие вещества. радикалы, тем самым повышая эффективность окисления озона.
В-третьих, синергизм адсорбции и активации, этот тип катализатора не только может эффективно адсорбировать органические загрязнители в воде, но также может катализировать активацию молекул озона, генерируя сильно окисляющие свободные радикалы, на поверхности катализатора этого типа, адсорбцию органических Синергизм активации загрязнителей и окислителей позволяет добиться лучшего эффекта каталитического окисления озона.
Катализаторы, используемые в технологии многофазного озоно-каталитического окисления, представляют собой в основном оксиды металлов (Al2O3, TiO2, MnO2 и др.), оксиды металлов или металлов, нанесённые на носитель (CuTiO2, CuAl2O3, TiO2AlO3 и др.) и пористые материалы с большой удельной поверхностью. . Каталитическая активность этих катализаторов в основном характеризуется каталитическим разложением озона и продвижением гидроксильных радикалов. Эффективность процесса озонового каталитического окисления зависит главным образом от катализатора и свойств его поверхности, pH раствора, что может влиять на природу активных центров на поверхности катализатора и реакцию разложения озона в растворе.
1. (нагруженные) металлические катализаторы, приготовленные определенным образом, могут вызывать разложение озона в воде и производить свободные радикалы с очень сильными окислительными свойствами, тем самым значительно улучшая их эффект разложения на высокостабильные органические вещества в воде. Многие металлы могут быть использованы в качестве катализатора процесса окисления озоном, например титан, медь, цинк, железо, никель, марганец и так далее.
2. Оксиды металлов Оксиды металлов могут напрямую влиять на рациональный выбор механизма и эффективности каталитической реакции. Как правило, гидроксильная группа на поверхности оксидов металлов является активным центром каталитической реакции, которая адсорбирует анионы и катионы из воды путем высвобождения протонов и гидроксильных групп в воду и подвергается ионообменной реакции, приводящей к образованию реакции Бренстеда. кислотный центр, который обычно считают каталитическим центром оксидов металлов. Некоторые металлоксидные катализаторы, такие как TiO2, Al2O3 и MnO2, которые широко изучены, подробно описаны ниже.
(1). Диоксид титана TiO2TiO2 обычно используется в фотокаталитической реакции, но он также эффективен при катализируемом озоном окислении органических веществ в воде, либо в качестве катализатора реакции озонирования отдельно, либо в качестве сокатализатора озонирования вместе с УФ-светом.Белтран и др. исследовали влияние каталитического озонирования на разложение щавелевой кислоты, используя порошок TiO2 в качестве катализатора. По сравнению с системой озонового окисления, скорость удаления и степень минерализации щавелевой кислоты при многофазном каталитическом озонировании были значительно улучшены.
(2). Оксид алюминия Al2O3Al2O3 обычно используется в качестве носителя для катализаторов, но некоторые исследователи обнаружили, что он также обладает некоторой способностью катализировать озонирование. Ni и Чен показали, что присутствие y-Al2O3 увеличивает удаление органического углерода из 2-хлорфенола с 21% до 43% только при окислении озоном, и это разрушение озона было лишь половиной от этого разрушения только при озонировании. После трех последовательных применений катализатора существенных изменений в эффекте удаления не произошло.
(3). Диоксид марганца MnO2 Считается, что среди всех оксидов переходных металлов MnO2 проявляет лучшую каталитическую активность и может эффективно катализировать разложение наибольшего числа органических соединений. В последние годы появление наноматериалов открыло новые возможности для разработки новых и эффективных каталитических материалов для озонирования, а использование наноматериалов улучшило каталитическую эффективность катализаторов по сравнению с обычными объемно-фазовыми катализаторами. Об исследовании наноматериалов из оксидов переходных металлов для каталитических применений сообщалось во многих литературных источниках. При каталитическом озонировании применяются некоторые нанокатализаторы с оксидами переходных металлов в качестве активных компонентов, например CO3O4, Fe2O.
3. TiO, ZnO и т. д. достигли лучшего каталитического эффекта.3 Активированный уголь Активированный уголь представляет собой углеродистый материал, состоящий из смеси крошечных кристаллических и некристаллических частей, а поверхность активированного угля содержит большое количество кислотных или основных групп. , а присутствие этих кислотных или основных групп, особенно гидроксила и фенольного гидроксила, придает активированному углю не только адсорбционную способность, но и каталитическую способность. Во время синергетического процесса озон/активированный уголь озон ускоряется до гидроксильных радикалов за счет адсорбции активированного угля, тем самым повышая эффективность окисления. Отличием активированного угля как катализатора от оксида металла как катализатора каталитического озонирования является разный механизм разложения озона: основную роль играет основание Льюиса на поверхности активированного угля; при этом кислота Льюиса на поверхности оксида металла является активной точкой каталитического процесса. Кроме того, для каталитической системы с активированным углем большую роль играют адсорбционные свойства поверхности активированного угля, поэтому на эффективность озонационной деградации сильно влияет кислотность и щелочность среды. В настоящее время имеется большой объем литературы, описывающей механизм технологии многофазного озон-катализируемого окисления. Обычно признаются три возможных механизма:
(1). Считается, что органические вещества хемосорбируются на поверхности катализатора, образуя поверхностные хелаты с некоторой нуклеофильностью, с которыми озон или гидроксильные радикалы затем подвергаются реакции окисления, образуя промежуточные соединения, которые могут дополнительно окисляться на поверхности или могут десорбироваться в раствор. подвергаться дальнейшему окислению, как показано на рис. 1. Система каталитического окисления некоторых катализаторов с относительно большой адсорбционной способностью имеет тенденцию следовать этому механизму.
(2). Катализатор не только адсорбирует органические вещества, но также напрямую реагирует с озоном в окислительно-восстановительной реакции, образуя металлы в окисленном состоянии и гидроксильные радикалы, которые могут напрямую окислять органические вещества, как показано на рисунке 2.
(3). Катализаторы катализируют разложение озона с образованием более реакционноспособного окислителя, который реагирует с нехимически адсорбированными органическими молекулами.
