臭氧氧化法影響因素及優(yōu)缺點(diǎn)介紹

1. 臭氧氧化法的基本原理

 

        20 世紀(jì)末，隨著高頻高壓電暈放電的應(yīng)用，O3相關(guān)技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖侔l(fā)展。目前，臭氧氧化技術(shù)早已成為水處理領(lǐng)域中極具發(fā)展及應(yīng)用前景的技術(shù)。臭氧氧化過程可分為直接氧化和間接氧化。由O3的電子結(jié)構(gòu)可知: O3既可作為親電試劑，也可作為親核試劑，臭氧兩端的氧原子還可發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)。

 

        因此，臭氧直接氧化機(jī)理可分為親電反應(yīng)、親核反應(yīng)以及加成反應(yīng)。O3直接氧化存在選擇性，面對(duì)飽和脂肪族等有機(jī)物，O3難以直接將其氧化; 并且O3性質(zhì)不穩(wěn)定，會(huì)自行分解并釋放出熱量，如式( 29) 所示:

 

O3 →1. 5 O2 + 144. 45 kJ ( 29)

 

        臭氧間接氧化是指在水溶液中，O3與OH－ 等作用產(chǎn)生·OH，再通過·OH 氧化污染物。目前，關(guān)于O3在水體中鏈?zhǔn)椒纸獾慕忉屩饕蠺FG 和SBH 機(jī)理。在堿性條件下，O3與OH－ 的反應(yīng)主要以TFG 模式進(jìn)行，關(guān)鍵步驟如式( 30) —( 34) 所示; 而在弱酸性及中性條件下，則主要以SBH 模式進(jìn)行，關(guān)鍵步驟如式( 35) —( 37) 所示。二者之間的差別在于鏈引發(fā)的方式不同，SBH 模式為單電子轉(zhuǎn)移過程，TFG 模式為兩電子轉(zhuǎn)移過程。

        后來根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)這2 個(gè)機(jī)理進(jìn)行修正，發(fā)展出SBH-1998、SBH-2009、TFG-2009 和NGF 等機(jī)理。周鵬等］利用Acuchem 軟件模擬了O3鏈?zhǔn)椒纸膺^程，當(dāng)pH= 5 和pH= 7 時(shí)，C-SBH-1998 與實(shí)際結(jié)果擬合良好，當(dāng)pH = 10. 5 時(shí)，C-TFG-2009 與實(shí)際結(jié)果擬合良好。

 

 

2. 臭氧氧化法的影響因素

        臭氧氧化法主要受pH、溫度、O3投加量/投加方式、淬滅劑等影響。由反應(yīng)原理可知: pH 值影響O3與污染物的反應(yīng)機(jī)制及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，酸性條件下O3與污染物的反應(yīng)主要以直接氧化為主，反應(yīng)速率常數(shù)k 為10－1 ～102 mol /( L·s) ，當(dāng)pH＜4 時(shí)，間接氧化作用可忽略不計(jì); 而在堿性條件下，主要以間接氧化為主，k 為106 ～109 mol /( L·s) 。當(dāng)介質(zhì)處于弱酸性與中性時(shí)，間接氧化以SBH 模式為主; 當(dāng)處于堿性時(shí)，間接氧化以TFG 模式為主。

 

        溫度影響O3在水體中的溶解度、穩(wěn)定性及反應(yīng)速率，升溫會(huì)導(dǎo)致溶解度下降并加快O3分解，但升溫有利提高反應(yīng)速率。O3投加量直接影響污染物的降解效果。一般而言，增大O3投加量，污染物去除率會(huì)逐漸提高，但隨著O3投加量的增加增幅逐漸減小，故O3投加量存在一個(gè)效果與經(jīng)濟(jì)均較佳的范圍，因此要根據(jù)反應(yīng)體系條件、處理目標(biāo)、處理對(duì)象等確定; 另外，還需要考慮到溴酸鹽、甲醛等臭氧化副產(chǎn)物的生成問題。

 

        投加方式影響傳質(zhì)過程。常見的投加方式有預(yù)投加、中間投加等。研究表明，多點(diǎn)布?xì)夂驮黾硬細(xì)恻c(diǎn)數(shù)有助于O3傳質(zhì)，但當(dāng)布?xì)恻c(diǎn)數(shù)高于3 個(gè)點(diǎn)時(shí)，傳質(zhì)效率無明顯提高并容易導(dǎo)致出水O3濃度過高。介質(zhì)自由基淬滅劑如CO2－3 、HCO－3 、Cl－ 等會(huì)與污染物分子形成競(jìng)爭(zhēng)，降低氧化效率。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過加強(qiáng)預(yù)處理減少淬滅劑含量。

 

3. 臭氧氧化法的優(yōu)缺點(diǎn)

        臭氧氧化技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于兼具消毒、脫色除臭的效果?？赏ㄟ^破壞致病菌的代謝酶、遺傳物質(zhì)或細(xì)胞膜的通透性等將微生物殺滅，其殺菌能力優(yōu)于氯消毒，此外，O3可破壞碳氮雙鍵、偶氮等發(fā)色或助色基團(tuán)，還能氧化去除氨、硫化氫、甲硫醇等惡臭氣體;無二次污染，剩余O3會(huì)自行分解并增加水體中的溶解氧; 曝氣有攪拌作用，可均勻物料、強(qiáng)化傳質(zhì)效果。該技術(shù)面臨的困境主要體現(xiàn)在O3產(chǎn)量低且利用率低、臭氧化副產(chǎn)物、設(shè)備腐蝕等方面。

      目前，生產(chǎn)O3的方法有介質(zhì)阻擋放電法、紫外線法、電解法等，應(yīng)用很廣泛的介質(zhì)阻擋放電法所產(chǎn)生的O3量不超過10%，大約85%的能量變?yōu)闊崃?，能量浪耗?yán)重且高溫加劇O3分解。此外，氣相O3濃度低和反應(yīng)器傳質(zhì)效果差導(dǎo)致O3利用率低，可通過優(yōu)化兩相接觸方式及其內(nèi)部構(gòu)件，如鼓泡擴(kuò)散式、靜態(tài)混合式、射流式、膜接觸式、逆流接觸式等，采用促傳劑，降低表面張力，增加氣泡溶解度，或外加電場(chǎng)、超聲場(chǎng)等方式提高O3利用率。O3還能將水體中Br－ 氧化為具有潛在致癌作用的溴酸鹽，GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定飲用水中溴酸根濃度不得超過0. 01 mg /L; O3氧化有機(jī)物的過程中可能產(chǎn)生醛類如甲醛、乙醛、乙二醛等副產(chǎn)物，對(duì)人體產(chǎn)生危害。此外，O3還會(huì)對(duì)設(shè)備、管道部件等造成腐蝕。