科力迩-高级氧化之专利非均相臭氧催化剂的制备与技术应用

高级氧化技术主要通过产生羟基自由基（·OH：E0=2.8 V）实现难降解有机物的降解和矿化。常用的高级氧化技术有芬顿氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、电化学氧化法等。相比于其他高级氧化技术，臭氧氧化能力强，可通过直接反应（O3：E0=2.07 V）或间接产生·OH与废水中的化合物反应。臭氧氧化具有反应效率高，无二次污染的优点，在废水处理中可以有效地消毒、除色，因而被广泛应用于处理高浓度和难降解的有机废水，例如城市废水、工业废水、造纸工业废水和染料工业废水。

传统的臭氧氧化工艺存在一些缺点，如气态臭氧利用率低、工艺选择性差以及有机物氧化不完全等。因此，有必要开发改进的臭氧化工艺，既能提高臭氧传质，又能促进·OH 的产生。研究表明在臭氧氧化反应过程中，催化剂的加入促进反应中活性基团·OH 的产生并且可提高臭氧的直接氧化能力，实现有机污染物的深度处理。如图1所示，基于催化剂在溶液中的不同存在形态，臭氧的催化氧化技术可以分为均相臭氧催化氧化和非均相臭氧催化氧化。

图1.臭氧催化氧化技术分类

均相催化剂加入可以协同臭氧氧化，其反应催化机理可分为两种：

①过渡金属离子催化臭氧产生更多·OH；

②在催化剂与有机物或臭氧之间形成络合物，提高臭氧与污染物的接触时间和反应效率。

但实际过程中催化剂金属离子不易回收，产泥量大造成二次污染，同时水处理成本较高，这使臭氧均相催化受到限制。

图2. 非均相催化氧化体系中催化剂与臭氧对有机物的作用途径

为解决上述难题，科力迩自主研发了一种非均相芬顿催化剂并获得专利授权，将具有催化性能的过渡金属离子通过掺杂、吸附、接枝改性等手段固定在固体催化剂载体之上，使用的过渡金属离子包括Cu、Fe、Mn，Co、Zn、Ce、Ni、Cr中的一种或几种。

这类催化剂催化臭氧氧化的主要作用机理有：

①固体催化剂催化臭氧产生更多·OH 氧化污染物；

②有机污染物吸附到固体催化剂上，方便臭氧与污染物进行反应；

③催化剂的吸附和催化共同作用降解有机污染物；

如图2所示，臭氧在金属氧化物（如 Al2O3、TiO2等）的路易斯中心上分解，臭氧分解发生在金属氧化物表面的羟基上，这些活性点位均被视为促进臭氧分解的潜在催化中心。因此，负载型催化剂的性能主要取决于催化剂与载体的协同作用。

图3. 科力迩自主研发的专利非均相臭氧氧化催化剂

科力迩非均相催化剂通过大量实验及工程验证，优化各组分配比，开发出具有高适应性和催化活性的催化剂。采用多段精准温控烧结技术，在保证活性的同时，提高催化剂的稳定性，有效减少使用过程中的流失率，防止二次污染。采用特殊造孔技术比表面积可达250 m3/g以上；氧化效率比单纯臭氧氧化提高2～5倍，且不易污染、结垢和堵塞，使用寿命超过五年；可长周期运行。