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浅谈“高级氧化法”在污水处理中的应用

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浅谈“高级氧化法”在污水处理中的应用

发布日期:2022-01-27 作者:武汉水博 点击:

1. 什么是“高级氧化技术”?

      高级氧化技术是利用强氧化性的自由基来降解有机污染物的技术,泛指反应过程有大量羟基自由基参与的化学氧化技术。其基础在于运用催化剂、辐射,有时还与氧化剂结合,在反应中产生活性极强的自由基(一般为羟基自由基,· OH)再通过自由基与污染物之间的加合、取代、电子转移等使污染物全部或接近全部矿质化。·OH反应是高级氧化反应的根本特点。

2. 高级氧化方法及其作用机理

      通过不同途径产生·OH自由基的过程。·OH自由基一旦形成,会诱发一系列的自由基链反应,攻击水体中的各种有机污染物,直至降解为二氧化碳、水和其它矿物盐。可以说高级氧化技术是以产生·OH自由基为标志。

3. 高级氧化技术有什么特点?

      ①反应过程中产生大量氢氧自由基·OH;

      ②反应速度快;

      ③适用范围广,·OH几乎可将所有有机物氧化直至矿化,不会产生二次污染;

      ④可诱发链反应;

      ⑤可作为生物处理过程的预处理手段,使难以通过生物降解的有机物可生化性提高,从而有利于生物法的进一步降解;

      ⑥操作简单,易于控制和管理。

4.高级氧化技术的分类

      ①化学氧化法:臭氧氧化/Fenton氧化/高铁氧化

      ②电化学氧化法 

      ③湿式氧化法 :湿式空气氧化法/湿式空气催化氧化法

      ④超临界水氧化法 

      ⑤光催化氧化法

      ⑥超声波氧化法

      ⑦过硫酸盐氧化法

5.  Fenton氧化

亚铁离子(Fe2+)和过氧化氢(H2O2)的组合。

Fenton反应: Fenton反应是以亚铁离子作为催化剂来催化过氧化氢(H2O2),使其产生羟基自由基(·OH),进行有机物的氧化,羟基自由基具有強的氧化能力,可与大部分的芳香族有机物进行反应,同时亚铁离子氧化成铁离子(Fe3+),(铁离子有混凝作用也可去除部分有机物)铁离子又会与双氧水反应,并还原成亚铁离子(Fe2+).

 

反应机理:H2O2与Fe2+反应分解生成羟基自由基(·OH)和氢氧根离子(OH-),并引发连锁反应从而产生更多的其它自由基,然后利用这些自由基进攻有机质分子,从而破坏有机质分子并使其矿化直至转化为CO2、H2O等无机质(Fenton试剂在废水处理中主要用于去除COD、色度和泡沫等)。

 Fe2+ + H2O2 → · OH + OH + Fe3+

 Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + ·HO2 + H+

 类Fenton试剂:改性-Fenton试剂、光-Fenton试剂、电-Fenton试剂、配体-Fenton试剂等。Fe(Ⅲ)盐溶液、可溶性铁以及铁的氧化矿物(如赤铁矿、针铁矿等)同样可使H2O2催化分解产生·OH,达到降解有机物的目的,以这类催化剂组成的Fenton试剂,称为类Fenton试剂(改性Fenton试剂,因其铁的来源较为广泛)。

 

由于Fenton法处理废水所需时间长,使用的试剂量多,而且过量的Fe2+将增大处理后废水中的COD并产生二次污染。近年来,人们将紫外光、可见光等引入Fenton体系并研究采用其它过渡金属替代Fe2+,这些方法可显著增Fenton试剂对有机物的氧化降解能力,并可减少Fenton试剂的用量,降低处理成本被统称为类Fenton反应。

6.臭氧氧化的定义:臭氧具有极强的氧化性能,臭氧分子中的氧原子具有强烈的亲电子或亲质子性,臭氧分解会产生的新生态氧原子和在水中形成具有强氧化作用的羟基自由基·OH来氧化分解水中的污染物。

7.臭氧与有机物的反应途径(或机理)

◆直接反应:污染物+ O3→产物或中间物(有选择性,速度慢);

◆间接反应:污染物+ HO·→产物或中间物(无选择性,HO·(E0=2.8V)电位高,反应能力强,速度快,可引发链反应,使许多有机物彻底降解)

8.臭氧氧化性能的影响因素:臭氧化混合气进气量、搅拌速度

溶液pH、有机物浓度、溶液温度、催化剂、投加方式

9. 增强臭氧氧化的措施方法:

①改变臭氧化混合气的进气量,就是改变单位时间内的臭氧投加量,在有机负荷一定的条件下,就是改变反应过程中臭氧和有机物的投加比,在有机物浓度一定、连续地通入臭氧化混合气的半连续半间歇操作中,随单位时间内臭氧通入量的增加,有机物氧化反应速率相应提高。

② 超声强化臭氧氧化技术。

③金属催化臭氧化技术、在臭氧水处理体系中,加入一定量的Fe2+、Mn2+、Co2+、Ni2+或Co2+的硫酸盐。

④臭氧与其他常规水处理单元结合比如O3-活性污泥、O3-活性炭吸附、O3-絮凝-膜处理、O3-絮凝-O3、O3-气浮(吹脱)、O3-生物活性炭、O3-膜处理。

10. 臭氧在水处理中的应用——饮用水处理/废水处理/去除染料和印染废水的色度和难降解有机物/处理含金属离子废水/循环冷却水的处理。

在饮用水处理中,臭氧主要用于三个方面:1)臭氧预处理,在常规净水工艺前增设臭氧工艺;2)臭氧-生物活性炭处理,O3与颗粒活性炭结合,在常规净水工艺后,对水作深度处理,以除去各种有机物和色、嗅、味等;3)臭氧消毒,用以代替氯对水进行消毒

11.与化学药剂处理法相比,臭氧法具有以下特点: 

能有效地控制有机微生物,使循环水中的COD和AOX的数量都被抑制在很低的水平,从而得到优良的水质;系统能在高浓缩倍数下运行,可实现零排污,节约水量,比化学药剂法节约1/2-2/3;系统内不会产生结垢现象,同时,系统中原来形成的垢也能被有效去除;臭氧对系统具有良好的缓蚀作用;适应pH值范围宽;运行费用大大低于化学药剂。

12湿式氧化法:在高温(150-350℃)和高压(5-20MPa)下,用氧气或空气作为氧化剂,氧化水中溶解态或悬浮态的有机物或还原态的无机物,生成二氧化碳和水等小分子物质的技术。

13. 催化湿式氧化技术:在传统的湿式氧化处理体系中加入催化剂降低反应的活化能,从而在不降低处理效果的情况下,降低反应温度和压力,用氧气或空气作为氧化剂,氧化水中溶解态或悬浮态的有机物或还原态的无机物,生成二氧化碳和水等小分子物质的技术.

14.光催化的定义:就是光催化剂在光的作用下发生催化作用概括说来。半导体材料在光的照射下,将光能转化为化学能,并促进有机物的分解,这一过程称为光催化。

光催化剂:一种在光的照射下,自身不起变化,却可以促进化学反应的物质。利用光能转换成为化学反应所需的能量,产生催化作用,使周围的氧气及水分子激发成极具氧化力的自由基或负离子。

光催化剂在光照条件(可以是不同波长的光照)下所起到催化作用的化学反应,统称为光催化反应。

光催化一般是多种相态之间的催化反应。

15. 为什么TiO2光催化对很多有机物有较强的吸附作用?

答:TiO2光催化分解水中污染物的过程中,表面产生的OH・基团起着决定性的作用,因而参加反应的物质以吸附在表面上的为主。有机物在催化剂表面被氧化要经过扩散、吸附、表面反应以及脱附等步骤。

光触媒(光催化)的作用:

①抗菌性;

②空气净化;

③除臭;

④防霉防藻;

⑤防污自洁。

16. TiO2光催化材料的特性:

①合适的半导体禁带宽度;

②具有良好的抗光腐蚀性和化学稳定性;

③廉价,原料来源丰富,成本低;

④光催化活性高(吸收紫外光性能强;禁带和导带之间的能隙大,光生电子的还原性和空穴的氧化性强);

⑤对很多有机污染物有较强的吸附作用。


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