有關催化臭氧化基礎與應用研究之淺見

來源：上海博取儀器有限公司 2022年10月14日 09:05

前不久，聽了一教授關于活性物種評估方法的學術報告，受益不少，強化了我對催化臭氧化工藝的兩個認識：•OH是主導有機物氧化的主要活性物種；催化臭氧化過程中多種活性物種相互轉化，其過程相當復雜。但催化臭氧化工程應用，缺乏基礎研究有力支撐；基礎與應用研究鏈接不夠緊密，目前仍各唱各戲。

1、關于臭氧催化劑“作用域”及•OH反應動力學

學術界基本共識：•OH壽命僅約10 ns；那么，臭氧催化劑作用域就很小。我曾在多種場合強調這一問題，并嘗試從有機物分子（而不是•OH）熱運動角度估算距離大小，但仍未取得可靠結論。顯然，這一問題不僅對工程實踐、甚至對實驗研究都關系重大。早在2018年我們申請鐵基催化劑單元化填料時就明確闡述了催化劑“作用域”概念，可惜至目前仍未得到學術界和工程界的關注。最近，文獻中閱讀到類芬頓反應“限域強化”的概念，視角確實相近，很受鼓舞。

學術界很重視•OH反應動力學，但指導實踐尚遠，且并非易事。常規(guī)化學反應動力學研究，反應物在反應前都是穩(wěn)態(tài)物質，而•OH非也；•OH濃度應是單位時間單位體積產生量（這易估算）與其存活時間的乘積，其濃度非常小。若•OH濃度都測不準，我就不理解二級反應動力學常數(shù)是如何測定的？除了二級反應動力學模型，是否可以采納更合理的基元反應模型？

2、關于活性物種及有機物的臭氧化

多種活性物種相互轉化，大家都有概念，特別是催化臭氧化過程中•OH與O2－•幾乎相互伴隨，故弄清這種轉化歷程對工程實踐意義不大。但有機物臭氧化過程也有活性物種產生，反應的中間產物有機物會影響反應物降解速率（見4月份推送消息）；且有機物與自由基的反應一般為鏈式反應，產生的有機物自由基在后續(xù)反應中扮演重要角色，其持續(xù)降解過程尤為重要，關系到工藝中COD和TOC值的降低。因此，高級氧化過程中有機物反應的“斂散性”問題，對指導工程實踐意義較大，但目前這種研究文獻尚少。

3、臭氧溶解、擴散與催化過程及反應器優(yōu)化

可能受物理化學界研究氣態(tài)臭氧分解觀點的影響，我對“過渡金屬（羥基）氧化物是催化臭氧分解的催化劑”概念較深，不太認同活性炭（包括碳納米管等）是催化劑（當然不是說它沒用，另論）。應注意：氣相臭氧與液相臭氧在催化劑表面分解形成的活性物種是不同的，很多文獻認為前者并不產生•OH，而是O2－•。若這樣，臭氧溶解過程對高級氧化機制影響很大。

盡管文獻和實踐均證明：臭氧溶解速率很快，反應器尾氣殘余臭氧不成問題；但由此突出了液相臭氧的擴散問題。只有溶解、擴散兩過程動力學問題得出量化結果，才能對反應器中催化劑空間布置及氣液流向進行優(yōu)化設計，最大限度地提高•OH生成率，這是我們課題組正在開展的應用研究。但關于氣相與液相臭氧在催化劑表面行為及對高級氧化的影響、臭氧溶解機理機制（氣、液相分子形態(tài)，物理、化學溶解性質等），作為催化臭氧化的基礎研究仍很必要。

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