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臭氧氧化法影响因素及优缺点介绍

发布日期:2020-12-30 14:49 浏览次数:

臭氧氧化法影响因素及优缺点介绍

1. 臭氧氧化法的基本原理

 

        20 世纪末,随着高频高压电晕放电的应用,O3相关技术应用及产业规模快速发展。目前,臭氧氧化技术早已成为水处理领域中极具发展及应用前景的技术。臭氧氧化过程可分为直接氧化和间接氧化。由O3的电子结构可知: O3既可作为亲电试剂,也可作为亲核试剂,臭氧两端的氧原子还可发生环加成反应。

 

        因此,臭氧直接氧化机理可分为亲电反应、亲核反应以及加成反应。O3直接氧化存在选择性,面对饱和脂肪族等有机物,O3难以直接将其氧化; 并且O3性质不稳定,会自行分解并释放出热量,如式( 29) 所示:

 

O3 →1. 5 O2 + 144. 45 kJ ( 29)

 

        臭氧间接氧化是指在水溶液中,O3与OH- 等作用产生·OH,再通过·OH 氧化污染物。目前,关于O3在水体中链式分解的解释主要有TFG 和SBH 机理。在碱性条件下,O3与OH- 的反应主要以TFG 模式进行,关键步骤如式( 30) —( 34) 所示; 而在弱酸性及中性条件下,则主要以SBH 模式进行,关键步骤如式( 35) —( 37) 所示。二者之间的差别在于链引发的方式不同,SBH 模式为单电子转移过程,TFG 模式为两电子转移过程。


        后来根据不同实验结果对这2 个机理进行修正,发展出SBH-1998、SBH-2009、TFG-2009 和NGF 等机理。周鹏等]利用Acuchem 软件模拟了O3链式分解过程,当pH= 5 和pH= 7 时,C-SBH-1998 与实际结果拟合良好,当pH = 10. 5 时,C-TFG-2009 与实际结果拟合良好。

 

 

2. 臭氧氧化法的影响因素

        臭氧氧化法主要受pH、温度、O3投加量/投加方式、淬灭剂等影响。由反应原理可知: pH 值影响O3与污染物的反应机制及反应动力学,酸性条件下O3与污染物的反应主要以直接氧化为主,反应速率常数k 为10-1 ~102 mol /( L·s) ,当pH<4 时,间接氧化作用可忽略不计; 而在碱性条件下,主要以间接氧化为主,k 为106 ~109 mol /( L·s) 。当介质处于弱酸性与中性时,间接氧化以SBH 模式为主; 当处于碱性时,间接氧化以TFG 模式为主。

 

        温度影响O3在水体中的溶解度、稳定性及反应速率,升温会导致溶解度下降并加快O3分解,但升温有利提高反应速率。O3投加量直接影响污染物的降解效果。一般而言,增大O3投加量,污染物去除率会逐渐提高,但随着O3投加量的增加增幅逐渐减小,故O3投加量存在一个效果与经济均较佳的范围,因此要根据反应体系条件、处理目标、处理对象等确定; 另外,还需要考虑到溴酸盐、甲醛等臭氧化副产物的生成问题。

 

        投加方式影响传质过程。常见的投加方式有预投加、中间投加等。研究表明,多点布气和增加布气点数有助于O3传质,但当布气点数高于3 个点时,传质效率无明显提高并容易导致出水O3浓度过高。介质自由基淬灭剂如CO2-3 、HCO-3 、Cl- 等会与污染物分子形成竞争,降低氧化效率。在实际应用中,可以通过加强预处理减少淬灭剂含量。

 

3. 臭氧氧化法的优缺点

        臭氧氧化技术的独特优势在于兼具消毒、脱色除臭的效果。可通过破坏致病菌的代谢酶、遗传物质或细胞膜的通透性等将微生物杀灭,其杀菌能力优于氯消毒,此外,O3可破坏碳氮双键、偶氮等发色或助色基团,还能氧化去除氨、硫化氢、甲硫醇等恶臭气体;无二次污染,剩余O3会自行分解并增加水体中的溶解氧; 曝气有搅拌作用,可均匀物料、强化传质效果。该技术面临的困境主要体现在O3产量低且利用率低、臭氧化副产物、设备腐蚀等方面。

      目前,生产O3的方法有介质阻挡放电法、紫外线法、电解法等,应用最广泛的介质阻挡放电法所产生的O3量不超过10%,大约85%的能量变为热量,能量浪耗严重且高温加剧O3分解。此外,气相O3浓度低和反应器传质效果差导致O3利用率低,可通过优化两相接触方式及其内部构件,如鼓泡扩散式、静态混合式、射流式、膜接触式、逆流接触式等,采用促传剂,降低表面张力,增加气泡溶解度,或外加电场、超声场等方式提高O3利用率。O3还能将水体中Br- 氧化为具有潜在致癌作用的溴酸盐,GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中规定饮用水中溴酸根浓度不得超过0. 01 mg /L; O3氧化有机物的过程中可能产生醛类如甲醛、乙醛、乙二醛等副产物,对人体产生危害。此外,O3还会对设备、管道部件等造成腐蚀。

 

 

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