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有關催化臭氧化基礎與應用研究之浅见

 更新時間:2022-10-14 點擊量:2839

前不久,聽了一教授關於(yu)活性物(wu)種評估方法的學術報告,受益不少,強化(hua)了我(wo)對催化臭氧化工藝的兩個認识:•OH是主导有機(ji)物氧化的主要活性(xing)物種;催化臭氧(yang)化過程中多種活性物(wu)種相互轉化,其過程相当复雜(za)。但催化臭氧(yang)化工程應用,缺乏基(ji)礎(chu)研究有力支撐;基礎與應用研究鏈(lian)接不够紧密,目前(qian)仍各唱各戲。


1、關於臭氧催化(hua)剂“作用域”及•OH反應動力學

  學術界基本(ben)共(gong)识:•OH寿命仅約10 ns;那麼,臭氧催化剂(ji)作用域就很(hen)小。我曾在多種場合(he)強調这一(yi)問題,並尝試(shi)从有機物(wu)分子(而(er)不(bu)是•OH)熱運動角度估算距离大小,但(dan)仍未(wei)取得可靠結论。顯然,这一問題不(bu)仅對工程實践(jian)、甚至(zhi)對實驗(yan)研究都關系重大。早在2018年我們申請鐵基(ji)催化剂單元化填料(liao)時就明確(que)阐(chan)述了催化剂“作用域”概念,可惜至目前仍未得到學術(shu)界和工程界(jie)的關注。最近,文献中阅讀到類芬顿反應“限域強(qiang)化”的(de)概念,視角確實相(xiang)近(jin),很(hen)受鼓舞。

     學(xue)術界很(hen)重視•OH反應(ying)動力(li)學,但指导(dao)實践尚远,且(qie)並非易事。常規化學反(fan)應動(dong)力學研究,反(fan)應物(wu)在反應前都是稳態物質,而•OH非也;•OH浓度應是(shi)單位時間單位體积產生量(这易估算)與(yu)其存活時間的乘积,其(qi)浓度非常小。若•OH浓度都(dou)測不(bu)準,我就不理解二級反應(ying)動力學常数是如何(he)測定的?除了二級反應動力學模型,是否可以采納更合(he)理的(de)基元反應模型?

 

2、關於活性物種(zhong)及有(you)機物的臭氧化

   多種活(huo)性物種相互(hu)轉化,大家都有概念,特別(bie)是催化臭氧化過(guo)程中•OH與O2-•几乎相互伴随(sui),故弄清这種轉(zhuan)化历程對(dui)工程實践意義不大。但有機(ji)物臭氧化過程也(ye)有活性物種產生,反應的(de)中間產物(wu)有機物會影響反應物降解速率(见4月份推送消息);且有機物(wu)與自由基的(de)反應一般為鏈式反應,產生(sheng)的有機物自由基在后(hou)續反應中扮演重要角色,其持續降解過程尤為重要,關系到工藝中COD和TOC值的降低。因此,高級(ji)氧化過程中(zhong)有機物反應的“敛散性”問題,對指导(dao)工(gong)程實践意義较大,但目前这種研究文献(xian)尚少(shao)。

3、臭氧溶解、擴散與催化過程及反應器優化

       可能受物理化學界研究氣態臭(chou)氧分(fen)解觀點的影響,我對“過渡金(jin)屬(羟基)氧(yang)化物是催化臭氧(yang)分解的催化剂”概念较深,不(bu)太認同活性炭(包括碳納米管等)是催化(hua)剂(当然不是說它没(mei)用,另论)。應注意:氣相(xiang)臭氧與液相臭氧在催化剂表面分解形成的活性物(wu)種是不同的,很多文献(xian)認為前者並不產生•OH,而(er)是O2-•。若(ruo)这樣,臭氧溶解過程對高(gao)級氧(yang)化機製影響很大。
盡管文献和實践均證明:臭氧(yang)溶解速(su)率很快,反應器(qi)尾(wei)氣残余臭氧不成問題;但由此突出了(le)液相臭氧的擴散(san)問題。只有溶解、擴散兩過程動力(li)學問(wen)題得出量化結果,才能對反(fan)應器中催化剂空間布(bu)置及氣液流向進行優化設計,最大限度(du)地提高•OH生成率,这是我們(men)課題組正在開展(zhan)的應用研究。但關於氣相與液(ye)相臭氧在催化剂表面行為及對(dui)高級氧化的影響、臭氧溶解機(ji)理機製(氣、液(ye)相分子(zi)形態,物理、化學溶解性(xing)質等),作為催化臭(chou)氧化的基礎研究仍很必(bi)要。

 

 

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