臭氧催化氧化对BTEX 的降解效果

 

       笔者自主制备了多孔臭氧催化剂,并对催化剂进行表征分析，考察了催化臭氧化降解BTEX 的 很佳反应条件,并对不同反应体系中自由基的激发情况进行比对，在此基础上探究催化臭氧化对BTEX 的去除机理，为BTEX 在实际处理过程中的技术应用提供理论基础。

1、催化剂投加量的影响

 

       在反应体系温度30 ℃、溶液pH ＝8、臭氧投加量为3.5 ｍg/L 的条件下，催化剂投加量分别为0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 和7.0 g/L，BTEX 的去除率如图7 所示。

 

       从图1 可以看出，不同的催化剂投加量对降解BTEX 有一定影响，随着催化剂投加量的增加，有机物的去除率逐渐升高。当催化剂投加量分别为0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 g/L 时，有机物的去除率分别为91.3％、91.9％、93.6％、95.5％、96.3％、97.6 和99.1％，催化剂投加量为5.0 g/L 时，有机物的降解效果 很佳。在催化剂投加量为5 g/L 的反应体系中，苯、甲苯、乙苯、二甲苯的去除率分别为95.6％、9８.2％、100％、100％，可见在催化臭氧化的反应体系中BTEX 反应速率排序为:二甲苯＝乙苯>甲苯>苯。当催化剂投加量较低时，催化剂的活性点位较低，导致催化反应不充分，影响有机物的去除率。

 

图1

2、催化臭氧化动态模拟试验

       为区分催化臭氧化处理BTEX 时，催化剂的吸附作用和臭氧氧化的降解作用，本文采取24 ｈ 动态模拟试验对配水的处理效果进行比对。试验溶液初始pH＝８，臭氧投加量为3.5 ｍg/L，蠕动泵流量控制为10 ｍL/min，催化剂填充量为柱容量的3/4，取样时间间隔为1c，模拟试验结果如图2所示。

图2

       从图2 可以看出，在动态流化床模拟试验中，催化剂的反应体系对溶液中有机物的去除率 很低，且随着反应时间的延长，有机物的去除率波动不大，臭氧单独降解BTEX 的反应中，与催化剂吸附体系相比，有机物的降解效率增强。在臭氧氧化体系中，当反应时间为1~2 ｈ 时，溶液中有机物的去除率明显波动，2 ｈ 后反应中有机物降解效率趋于平稳，这是由于该反应中有机物进行降解的同时还会产生中间产物，如有机酸或醌类物质，说明在1 ~2 ｈ 的反应时间内4 种有机物可能未被完全矿化。在模拟试验中，催化臭氧化反应体系的有机物降解效果 很好，且在反应1~2 ｈ 时，虽然有机物未被完全矿化，但其反应效率明显优于其他反应体系。由此可见，本文所制备的多孔臭氧氧化催化剂在催化臭氧化降解BTEX 时具有更好的处理效果，且该反应体系中可协同催化剂的吸附效果和自由基的氧化作用的同时，对目标有机污染物进行去除，从而增强目标有机物的降解效果。

 

3、自由基激发情况比对

       臭氧氧化降解目标有机物时，主要是通过自由基的强氧化性对目标有机物进行有效去除。 因此，臭氧氧化和催化臭氧化反应体系中，自由基的激发强度可有效揭示目标有机物被有效去除的原因。 2个反应体系中超氧自由基和羟基自由基的激发强度如图3、4 所示。 可以看出，催化臭氧化反应体系中羟基自由基和超氧自由基的激发强度明显高于臭氧氧化反应体系。

图3

图4

        本文制备的催化剂促进催化臭氧化产生自由基的可能产生过程如图11 所示。在催化臭氧化过程中， 很优反应条件可激发催化剂活性，使原本处于催化从属位置的OＨ－ 通过高度分散在载体上的过渡金属氧化物及其多价氧化物发生迁移，电子的转移促使羟基自由基产生，从而有效催化臭氧间接氧化能力。 本文制备的催化剂中含有Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ 氧化物，使催化反应过程中的金属氧化物态之间相互变化，转移的电子促进臭氧分子分解产生更多的自由基，这可能是催化臭氧化产生的自由基高于传统臭氧氧化的原因。 

 

        当催化臭氧化降解BTEX 时，目标有机污染物通过臭氧分子直接氧化或被催化剂表面吸附后，臭氧分子分解产生活性较高的氧原子和存在于液相的OＨ－，金属氧化物通过电子的转移以及催化剂表面活性位点形成中间产物ＨO－2 ，该阴离子与臭氧分子发生反应，生成O－3 自由基， 很后该自由基转化为氧气分子和羟基自由基。 通过该反应路径， 目标有机物BTEX 吸附于催化剂表面和反应溶液中的羟基自由基以及臭氧分子作用而被有效去除。 因此，本文的催化臭氧化技术是以羟基自由基为主导，超氧自由基、催化剂吸附为协同作用以实现目标有机污染物BTEX 的高效去除。