各類高級(jí)氧化技術(shù)的原理、特性和優(yōu)缺點(diǎn)，非常實(shí)用!
日期：2022/4/28 / 人氣： / 來(lái)源：派尼爾環(huán)保
評(píng)述了芬頓氧化法、催化臭氧氧化法、光催化氧化法、電解催化氧化法、濕式空氣氧化/濕式催化氧化法、超臨界水氧化法、超聲氧化法等各類目前認(rèn)為最有實(shí)用價(jià)值的高級(jí)氧化技術(shù)的原理、特性和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了各類高級(jí)氧化技術(shù)存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。認(rèn)為金屬催化臭氧氧化技術(shù)結(jié)合了臭氧氧化力強(qiáng)和金屬催化劑易于制造、經(jīng)久耐用、不需另加其他藥劑和操作成本低的優(yōu)點(diǎn)，是既經(jīng)濟(jì)又高效的氧化技術(shù)，也是未來(lái)較有發(fā)展前途的技術(shù)。
高級(jí)氧化技術(shù)
高級(jí)氧化技術(shù)(AdvancedOxidationProcess，AOP)是指氧化能力超過(guò)所有常見(jiàn)氧化劑或氧化電位接近或達(dá)到羥基自由基HO•水平(見(jiàn)表1)，可與有機(jī)污染物進(jìn)行系列自由基鏈反應(yīng)，從而破壞其結(jié)構(gòu)，使其逐步降解為無(wú)害的低分子量的有機(jī)物，最后降解為CO2、H2O和其他礦物鹽的技術(shù)。
由表1的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，羥基自由基的氧化電位達(dá)2.8V，僅次于最強(qiáng)的氟(3.06V)，是臭氧的1.35倍。由于氟有污染，因此開(kāi)發(fā)以羥基自由基為氧化劑的高級(jí)氧化技術(shù)，在理論上和實(shí)踐上都是最合適的，它不僅氧化力強(qiáng)，反應(yīng)速度快(鏈?zhǔn)椒磻?yīng))，而且無(wú)污染，是最佳的綠色氧化劑或綠色的氧化技術(shù)。
高級(jí)氧化技術(shù)的特點(diǎn)
高級(jí)氧化技術(shù)已成為治理生物難降解有機(jī)有毒污染物的重要手段，在印染、化工、農(nóng)藥、造紙、電鍍和印制板、制藥、醫(yī)院、礦山、垃圾滲濾液等廢水處理上已獲得應(yīng)用。
優(yōu)點(diǎn)
(1)通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基將難降解的有毒有機(jī)污染物有效地分解，直至徹底地轉(zhuǎn)化為無(wú)害的無(wú)機(jī)物，如CO2、N2、SO24−、PO34−、O2、H2O等，沒(méi)有二次污染，這是其他氧化法難以達(dá)到的。
(2)反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)速度快，且過(guò)程可以控制、無(wú)選擇性，能將多種有機(jī)污染物全部降解。
缺點(diǎn)
(1)處理過(guò)程有的過(guò)于復(fù)雜、處理費(fèi)用普遍偏高、氧化劑消耗大，碳酸根離子及懸浮固體對(duì)反應(yīng)有干擾。
(2)僅適用于高濃度、小流量的廢水的處理，低濃度、大流量的廢水應(yīng)用難。
高級(jí)氧化技術(shù)的種類
芬頓(Fenton)氧化
1894年Fenton發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+和H2O2結(jié)合會(huì)產(chǎn)生羥基自由基HO•，它與污染物間的鏈反應(yīng)會(huì)使有機(jī)物降解，最后生成CO2和H2O。基于這個(gè)雙氧水參與的鏈反應(yīng)，誕生了首個(gè)高級(jí)氧化技術(shù)──Fenton試劑氧化法。影響Fenton試劑反應(yīng)的主要參數(shù)包括溶液的pH、停留時(shí)間、溫度、過(guò)氧化氫及Fe2+的濃度，操作時(shí)pH不能過(guò)高(2~4之間)。芬頓的氧化過(guò)程可以表示如下。
程瑞豐曾研究了芬頓試劑處理混氰型電鍍廢水的除氰和除COD的效果，結(jié)果如表2所示(進(jìn)水pH為2~3)。
研究表明，芬頓試劑可在常溫下有效破除氰化物和廢水中的有機(jī)物，但一次處理尚達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)還要用次氯酸鹽處理。2011年，張躍用微電解加芬頓試劑來(lái)處理含氰廢水收到較好效果。微電解處理的pH為3.5~4.0，鐵炭體積比為2.0，曝氣60min，反應(yīng)60min，芬頓試劑的pH為5，H2O2的投加量為2.0mL/L，反應(yīng)20min后氰化物的除去率達(dá)99%。這說(shuō)明兩種方法的聯(lián)合使用比單一芬頓處理的效果更好。
Fenton反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)
(1)可氧化破壞多種有毒有害的有機(jī)物，適用范圍廣。
(2)反應(yīng)條件溫和，不需高溫高壓。
(3)設(shè)備簡(jiǎn)單，可單獨(dú)處理，也可與其他方法聯(lián)合處理。
Fenton反應(yīng)的缺點(diǎn)：
(1)使用藥劑的量多，過(guò)量的二價(jià)鐵會(huì)增大處理后廢水的COD值。
(2)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，通常要一到數(shù)小時(shí)。
(3)氧化能力還不太強(qiáng)，有些有機(jī)物還不能被破壞，需借助紫外光、超聲波、臭氧等進(jìn)行強(qiáng)化。
催化臭氧氧化法
1935年Weiss提出，臭氧在水溶液中可與羥基OH–反應(yīng)生成羥基自由基HO•，通過(guò)HO•與有機(jī)物進(jìn)行氧化反應(yīng)。雖然臭氧的氧化能力很強(qiáng)，但是臭氧氧化法要通過(guò)臭氧本身轉(zhuǎn)化為羥基自由基，效率較低，所以單獨(dú)用臭氧的氧化能力比不上羥基自由基。
普通單獨(dú)臭氧氧化的缺點(diǎn)
(1)雖然具有較強(qiáng)的脫色和去除有機(jī)污染物的能力，但運(yùn)行費(fèi)用較高，對(duì)有機(jī)物的氧化具有選擇性，在低劑量下和短時(shí)間內(nèi)不能完全礦化污染物，且分解生成的中間產(chǎn)物會(huì)阻止臭氧的氧化進(jìn)程。
(2)反應(yīng)的選擇性較強(qiáng)，O3對(duì)有機(jī)物的礦化能力明顯受劑量和時(shí)間的限制。
(3)臭氧對(duì)各種金屬和非金屬都有強(qiáng)的腐蝕性，故對(duì)設(shè)備的耐蝕性要求較高。
不過(guò)臭氧本身的氧化電位已很高，它破壞難降解有機(jī)物的能力也較強(qiáng)，目前在污染物廢水的脫色、消毒、除臭等方面已獲得廣泛的應(yīng)用。
催化臭氧氧化可分為兩類：一是利用溶液中金屬(離子)的均相催化臭氧氧化，二是利用固態(tài)金屬、金屬氧化物或負(fù)載在載體上的金屬或金屬氧化物的非均相催化臭氧氧化。催化臭氧氧化可克服單獨(dú)臭氧氧化的缺點(diǎn)，從而變成更有實(shí)用價(jià)值的新型高級(jí)氧化技術(shù)。
催化臭氧氧化作用也是利用反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量高氧化性自由基(羥基自由基)來(lái)氧化分解水中的有機(jī)物，從而達(dá)到水質(zhì)凈化。羥基自由基非常活潑，與大多數(shù)有機(jī)物反應(yīng)時(shí)速率常數(shù)通常為106~109L/(mol˙s)。故催化臭氧氧化的速率也比臭氧氧化高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
催化臭氧氧化目前發(fā)現(xiàn)的主要問(wèn)題是氧化速度還不算很快，尤其是對(duì)高濃度COD溶液的處理時(shí)間還較長(zhǎng)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。
光催化氧化
光化學(xué)氧化法包括光激發(fā)氧化法(如O3/UV)和光催化氧化法(如TiO2/UV)。光激發(fā)氧化法主要以O(shè)3、H2O2、O2和空氣作為氧化劑，在光輻射作用下產(chǎn)生羥基自由基HO•。光催化氧化法則是在反應(yīng)溶液中加入一定量的半導(dǎo)體催化劑，使其在紫外光(UV)的照射下產(chǎn)生HO•，兩者都是通過(guò)HO•的強(qiáng)氧化作用對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行處理。其中，氧化效果較好的是紫外光催化氧化法，它的作用原理是讓有機(jī)化合物中的C─C、C─N鍵吸收紫外光的能量而斷裂，使有機(jī)物逐漸降解，最后以CO2的形式離開(kāi)體系。
優(yōu)點(diǎn)
(1)反應(yīng)條件溫和、氧化能力強(qiáng)。
(2)在染料廢水、表面活性劑、農(nóng)藥廢水、含油廢水、氰化物廢水、制藥廢水、有機(jī)磷化合物、多環(huán)芳烴等廢水處理中，都能有效地進(jìn)行光催化反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)小分子，達(dá)到完全無(wú)害化的目的。
(3)光催化反應(yīng)對(duì)許多無(wú)機(jī)物，如CN−、Au(CN)−2、I−、SCN−、Cr2O72−、Hg(CH3)2、Hg2+等的去除也有廣闊的應(yīng)用前景。
(4)可以破壞氰化物，以及電鍍常用的各種有機(jī)螯合劑和添加劑，而達(dá)無(wú)害化。
(5)可以除去各種水中的微生物、細(xì)菌和霉菌。
(6)不僅可以破壞稀溶液(廢水)中的有機(jī)物，而且可以破壞濃溶液(槽液)中的有機(jī)物。
(7)是一種非常清潔的干處理法，不會(huì)引入任何其他物質(zhì)到體系中。
(8)能徹底破壞有機(jī)物而使其轉(zhuǎn)化為CO2排出，處理的深度比其他方法高。
缺點(diǎn)
(1)紫外光的吸收范圍較窄，光能利用率較低，其效率還會(huì)受催化劑性質(zhì)、紫外線波長(zhǎng)和反應(yīng)器的限制，短波紫外線(波長(zhǎng)小于1700Å)比長(zhǎng)波的效果好，但短波紫外光較難獲得。
(2)光催化需要解決透光度的問(wèn)題，因?yàn)槟承⿵U水(如印染廢水)中的一些懸浮物和較深的色度都不利于光線的透過(guò)，會(huì)影響光催化效果。
(3)目前使用的催化劑多為納米顆粒(太大時(shí)催化效果不好)，回收困難，而且光照產(chǎn)生的電子–空穴對(duì)易復(fù)合而失活。
將光催化氧化技術(shù)與其他高級(jí)氧化技術(shù)聯(lián)合使用，可以提高處理效率，增強(qiáng)氧化能力，近年來(lái)受到研究者的重視。荊國(guó)華[12]利用UV/Fenton技術(shù)處理三唑磷農(nóng)藥廢水，結(jié)果表明，n(Fe2+)∶n(H2O2)為1∶20，且H2O2為理論投加量時(shí)，光解效果較佳，反應(yīng)速率常數(shù)為0.03min−1，COD去除率可達(dá)到90%。
電解催化氧化
電化學(xué)氧化法是指通過(guò)陽(yáng)極表面上放電產(chǎn)生的羥基自由基HO•的氧化作用，HO•親電進(jìn)攻吸附在陽(yáng)極上的有機(jī)物而發(fā)生氧化反應(yīng)，從而去除污染物。研究表明，在酸性介質(zhì)和PbO2固定床電極反應(yīng)器中，經(jīng)過(guò)5h的降解，苯胺的去除率可達(dá)97%以上;在堿性介質(zhì)中，苯胺和4−氯苯胺在Pb箔上的陽(yáng)極氧化呈現(xiàn)出一級(jí)反應(yīng)特征，在3h內(nèi)，這類物質(zhì)的去除率為99%，而且所有的中間產(chǎn)物也可被徹底氧化。含有鹵代物和硝基化合物的廢水通過(guò)電化學(xué)氧化處理，采用Ti、PbO2或碳纖維陽(yáng)極，其去除率可達(dá)95%以上。Demmin等用可溶性的鐵或鋁為陽(yáng)極，研究了地毯印染廢水的電化學(xué)處理，BOD和COD去除率達(dá)50%~70%，色度去除率達(dá)90%以上。近年來(lái)，也有人利用O2在陰極還原為H2O2，而后生成羥基自由基(HO•)，進(jìn)而氧化有機(jī)物的新方法，可用于處理苯酚、苯胺、醛類及氰化物。
優(yōu)點(diǎn)
(1)電解裝置設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，控制方便，價(jià)格便宜。
(2)陽(yáng)極可以氧化污染物，改變陽(yáng)極材料可以破壞不同類型的有機(jī)物。
(3)陰極可以回收重金屬，使破壞有機(jī)污染物與回收液中重金屬同步進(jìn)行，一舉二得。
缺點(diǎn)
(1)可溶性的電極氧化法電極的消耗過(guò)大，電流效率偏低，反應(yīng)器效率不高。
(2)用電化學(xué)法徹底分解水中有機(jī)物能耗較高，設(shè)備成本也較高，這是電化學(xué)法單獨(dú)使用時(shí)需要克服的問(wèn)題。
濕式空氣氧化和濕式催化氧化法
濕式催化氧化法(CWAO)是指在高溫(123~320°C)、高壓(0.5~10MPa)和催化劑(氧化物、貴金屬等)存在的條件下，以空氣中的O2為氧化劑，在液相中將有機(jī)污染物氧化為CO2、H2O等無(wú)機(jī)小分子或有機(jī)小分子的化學(xué)過(guò)程。
一般認(rèn)為，濕式氧化反應(yīng)是自由基反應(yīng)，其過(guò)程分為鏈的引發(fā)、鏈的發(fā)展或傳遞以及鏈的終止幾個(gè)階段。鏈的引發(fā)階段，主要是由分子氧與反應(yīng)物分子作用生成烴基自由基(R•);鏈的發(fā)展或傳遞階段，自由基與反應(yīng)物分子相互作用，產(chǎn)生酯基自由基(ROO•)、羥基自由基(HO•)以及烴基自由基(R•)，羥基自由基有強(qiáng)氧化性，可以氧化有機(jī)廢物;鏈的終止階段，自由基之間相互碰撞生成穩(wěn)定的分子，使鏈的增長(zhǎng)過(guò)程中斷，反應(yīng)停止。
美國(guó)蘭達(dá)爾曾對(duì)多種農(nóng)藥廢水進(jìn)行濕式氧化法處理，當(dāng)反應(yīng)溫度為204~316°C時(shí)，包括碳?xì)浠衔锖吐然镌趦?nèi)的多種化合物的分解率均接近99%。對(duì)于難氧化的氯化物，如多氯聯(lián)苯、滴滴涕和五氯苯酚等，使用混合催化劑進(jìn)行濕式氧化處理，其去除率可達(dá)85%以上。
濕式氧化技術(shù)和濕式催化氧化工藝在處理活性污泥、釀酒蒸發(fā)廢水、造紙黑色廢水、含氰(或腈)廢水、農(nóng)藥等工業(yè)廢水以及活性炭再生利用、煤氧化脫硫等方面都有重要的用途。到目前為止，世界上已有大約240套濕式氧化裝置用于石化廢堿液、烯烴生產(chǎn)洗滌液、丙烯腈生產(chǎn)廢水等有毒有害工業(yè)廢水的處理。
優(yōu)點(diǎn)
(1)應(yīng)用范圍廣，幾乎可以無(wú)選擇地有效氧化各類高濃度有機(jī)廢水，處理效果好，在合適的溫度和壓力條件下，COD處理率可達(dá)90%以上。
(2)對(duì)有機(jī)污染物的氧化速率快，一般只需30~60min，二次污染少，能耗較低。
(3)余熱和某些物質(zhì)可回收利用。
超臨界水氧化法
1982年，美國(guó)學(xué)者M(jìn)odell首先提出了超臨界水氧化(SCWO)法，它與濕式氧化法一樣也是以水為液相主體，以空氣中的氧為氧化劑，在高溫高壓下反應(yīng)，但其改進(jìn)與提高之處在于它利用水在超臨界狀態(tài)(θc>374°C，Pc>22.05MPa)下性質(zhì)發(fā)生較大的變化，介電常數(shù)減少至與有機(jī)物和氣體一樣，從而使氣體、有機(jī)物完全溶于水中，氣液相界面消失，形成了均相氧化體系，由氧氣攻擊最初的有機(jī)物而產(chǎn)生有機(jī)自由基，進(jìn)一步反應(yīng)就生成羥基自由基，再氧化分解有機(jī)物。由于消除了在濕式氧化體系中存在的相際傳質(zhì)阻力，提高了反應(yīng)速率，且在均相體系中氧化，自由基的獨(dú)立活性更高，氧化程度隨之提高。
超臨界水的特性為：臨界溫度374.1°C，臨界壓力21.76MPa，臨界體積56.03cm3/mol，臨界密度0.332g/cm3，壓縮因子0.2，偏心因子0.44，介電常數(shù)5。美國(guó)Shanablen等對(duì)廢水處理廠排出的污泥進(jìn)行了超臨界水氧化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在5min的停留時(shí)間內(nèi)有99%以上的COD被去除，其產(chǎn)物是清潔、無(wú)色無(wú)味的CO2、H2O等小分子無(wú)機(jī)物。林春綿等采用超臨界水氧化法降解染料中間體，在一定的范圍內(nèi)，提高氧化降解的溫度，增加初始廢水的濃度以及延長(zhǎng)接觸時(shí)間都可以增加COD去除率，最高可達(dá)99.7%。馬承愚等利用超臨界水氧化法處理偶氮染料生產(chǎn)廢水，在溫度為520°C，壓力為28MPa的條件下，氧化反應(yīng)180s和240s時(shí)，COD去除率分別達(dá)到98.37%和99.09%，氧化反應(yīng)240s時(shí)的色度去除率為99.67%，可使高濃度難降解印染廢水處理達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。
優(yōu)點(diǎn)
(1)均相反應(yīng)速度快(<1min)，分解有機(jī)物效率高(>99%)，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物。
(2)無(wú)二次污染，最終氧化產(chǎn)物為CO2、H2O、SO24−和PO34−。
(3)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，對(duì)高濃度有機(jī)物可實(shí)現(xiàn)自熱反應(yīng)，節(jié)省能源。
缺點(diǎn)
(1)需要高溫高壓，且需特別的設(shè)備，投資大，成本高，要專業(yè)人員管理與維護(hù)，推廣應(yīng)用較困難。
(2)仍有諸如鹽沉淀、腐蝕及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏等問(wèn)題還沒(méi)有得到根本的解決。這些問(wèn)題在一定程度上阻礙了超臨界水氧化法的工業(yè)化進(jìn)程。
超臨界水氧化法由于其反應(yīng)速度快，氧化程度徹底而越來(lái)越受到人們的關(guān)注，如何通過(guò)催化劑來(lái)降低反應(yīng)條件或縮短反應(yīng)停留時(shí)間，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
超聲氧化法
超聲化學(xué)氧化主要是利用頻率在15kHz~1MHz的聲波，在微小的區(qū)域內(nèi)瞬間高溫高壓下產(chǎn)生的氧化劑(如HO•)去除難降解有機(jī)物。另外一種是超聲波吹脫，主要用于廢水中高濃度的難降解有機(jī)物的處理。
以一定頻率和壓強(qiáng)的超聲波照射溶液時(shí)，在聲波負(fù)壓作用下溶液中產(chǎn)生了空化泡，在隨后的聲波正壓相的作用下空化泡迅速崩潰，整個(gè)過(guò)程發(fā)生在納秒至微秒的時(shí)間內(nèi)，氣泡快速崩潰伴隨著氣泡內(nèi)蒸氣相的絕熱壓縮，產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓，形成所謂的“熱點(diǎn)”，同時(shí)產(chǎn)生有強(qiáng)烈沖擊力的高速微射流。進(jìn)入空化泡中的水蒸氣在高溫高壓下發(fā)生分裂及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生HO•、HOO•、H•等自由基以及H2O2、H2等物質(zhì)。聲化學(xué)反應(yīng)的途徑主要包括高溫高壓熱解反應(yīng)和自由基氧化反應(yīng)兩種。
優(yōu)點(diǎn)
(1)設(shè)備易得，操作簡(jiǎn)單，使用方便。
(2)可把有毒有機(jī)物降解為毒性較小甚至無(wú)毒的小分子，降解速度快，不會(huì)造成二次污染等問(wèn)題。例如對(duì)鹵代烴、鹵代脂肪烴等，光催化氧化、臭氧氧化、生物處理均難以降解，而超聲降解時(shí)卻可取得很好的效果。
缺點(diǎn)
(1)超聲波的產(chǎn)生需要消耗大量的能量。
(2)超聲波技術(shù)降解廢水大多屬于實(shí)驗(yàn)室階段，且由于聲化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的降解機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大等方面的研究開(kāi)展得很不充分，目前還難以實(shí)現(xiàn)工程化。
結(jié)語(yǔ)
高級(jí)氧化技術(shù)就是用各種強(qiáng)化技術(shù)使其盡快、更多地產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基，再通過(guò)它與有害且難降解的有機(jī)物發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使其快速降解為無(wú)毒無(wú)害的CO2、SO24−、PO34−和H2O。哪種技術(shù)可在常溫常壓下快速而經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生大量的羥基自由基，它就是最實(shí)用且最有發(fā)展前途的技術(shù)。
根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究情況來(lái)看，各種高級(jí)氧化法有不同的特點(diǎn)，適于不同廢水的處理，但從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)兩方面綜合來(lái)看，筆者認(rèn)為金屬催化臭氧氧化和光催化氧化是未來(lái)較有發(fā)展前途的技術(shù)。臭氧本身氧化力強(qiáng)，金屬催化劑又易于制造和經(jīng)久耐用，不需另加其他藥劑，操作成本極低，兩者的完美結(jié)合，就可獲得既經(jīng)濟(jì)又高效的氧化技術(shù)。光催化氧化的關(guān)鍵是要有高功率的低波長(zhǎng)紫外線發(fā)生器(或紫外燈管)和易于吸收紫外線的高效光催化劑，德國(guó)在這一領(lǐng)域已走在世界的前列，我國(guó)還需努力趕上。
作者：管理員