新型催化臭氧化及催化剂整砌填料—从机理到应用

臭氧由于其优异的氧化性能，在污水消毒、脱色及深度处理方面应用广泛，催化臭氧化具有更强的氧化能力。同济大学环境科学与工程学院马鲁铭教授在2023年5月27日举办的“先进水技术博览（Part 10）”上，系统介绍了催化臭氧化的机理及铁基催化剂整砌填料催化臭氧化的应用情况。

1. 催化臭氧化形成途径与机理剖析

（1）活化与催化辨析

传统芬顿氧化中，二价铁与过氧化氢反应产生活性物质——羟基自由基（·OH）。类似地，二价铁也能活化臭氧产生·OH，其中的二价铁作为反应物参与反应。这样的反应属于活化范畴，并且此类活化具有材料消耗大、产泥量大的缺陷。而催化臭氧化则不同，在催化剂的作用下，臭氧分解产生·OH，并不涉及额外药剂的消耗。

（2）催化臭氧机理

在催化臭氧化过程中形成·OH链式反应，并伴随O₂^.-、O₃^.-、HO₂·等活性物种的产生。其中·OH作为主要活性物种，氧化有机物形成有机自由基，接着O₂进一步氧化有机自由基。其中1/9的电子来自·OH，其余8/9来自分子态氧。即3摩尔的O₃产生2摩尔·OH，诱导4 摩尔O₂氧化。因此O₃与消耗COD之比为9比8，对工程应用臭氧投加量的选择具有重要指导意义。

（3）·OH作用域概念

·OH寿命为纳秒级，其他活性氧寿命最长也是微秒级，·OH仅在催化剂表面及附近产生并氧化有机物。因此在催化臭氧化中存在“·OH作用域”，这与类芬顿反应的“限域强化”和高级氧化“微反应器”概念类似。

2. 铁基催化剂整砌填料与臭氧化应用

（1）铁基催化剂整砌填料的制备与优势

将刨花状铁屑压缩成型后再通过化学氧化使铁基填料表面形成致密γ-FeOOH催化层，制备出一种铁屑基整砌化填料。

该填料除了铁基催化剂以外，同时存在多种过渡金属氧化物和化合物，具有协同增效的催化臭氧成分。催化剂比表面积大、孔隙率大、传质效果好、具有微通道形态，适合·OH发挥作用。同时，催化剂为表面羟基氧化物钝化层，消耗量小。

（2）铁基催化剂整砌填料的工程应用

基于铁基催化剂整砌填料的催化臭氧化工艺已成功实现工程化应用。通过设计并制备利于运输安装和精准快速叠放的具有镂空框架的单元化整砌填料，小流量钢结构塔式反应器（<3000吨/天）以及大流量砼机构多单元催化臭氧反应装置（50000吨/天）也已工程化落地。

3. 臭氧化反应器动力学

由于反应器涉及多相变化，包括臭氧的液相溶解、气泡上浮、水流动、臭氧气相分解、臭氧液相分解等，臭氧反应器动力学的研究十分重要。研究发现微气泡布气、气液逆流有利于气相臭氧转移到液相，但是布气口附近液相中高浓度的臭氧也容易流出反应器，因此，还需根据实际情况调整反应器流型和布气点。

2023年5月27日上午，由中国环境科学学会水处理与回用专业委员会主办，清华大学环境学院联合主办，四川大学建筑与环境学院协办的技术沙龙“先进水技术博览（Part 10）”（WaterTech.）成功举办。技术沙龙采用网络会议的形式进行，清华大学王玉珏教授主持了会议。同济大学马鲁铭教授作题为“新型催化臭氧化及催化剂整砌填料—从机理到应用”的精彩报告，来自水处理领域的专家、学者、工程技术人员和学生等3100余人通过腾讯会议、“再生水”微信视频号直播、“环境工程学报”微信视频号直播、“中国给水排水”微信视频号直播、蔻享学术直播、尚云互联直等平台参加了此次沙龙。

马鲁铭

同济大学环境科学与工程学院教授