科力邇-高級氧化之專利非均相臭氧催化劑的制備與技術應用

高級氧化技術主要通過產生羥基自由基（·OH：E0=2.8 V）實現難降解有機物的降解和礦化。常用的高級氧化技術有芬頓氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、電化學氧化法等。相比于其他高級氧化技術，臭氧氧化能力強，可通過直接反應（O3：E0=2.07 V）或間接產生·OH與廢水中的化合物反應。臭氧氧化具有反應效率高，無二次污染的優點，在廢水處理中可以有效地消毒、除色，因而被廣泛應用于處理高濃度和難降解的有機廢水，例如城市廢水、工業廢水、造紙工業廢水和染料工業廢水。

傳統的臭氧氧化工藝存在一些缺點，如氣態臭氧利用率低、工藝選擇性差以及有機物氧化不完全等。因此，有必要開發改進的臭氧化工藝，既能提高臭氧傳質，又能促進·OH 的產生。研究表明在臭氧氧化反應過程中，催化劑的加入促進反應中活性基團·OH 的產生并且可提高臭氧的直接氧化能力，實現有機污染物的深度處理。如圖1所示，基于催化劑在溶液中的不同存在形態，臭氧的催化氧化技術可以分為均相臭氧催化氧化和非均相臭氧催化氧化。

圖1.臭氧催化氧化技術分類

均相催化劑加入可以協同臭氧氧化，其反應催化機理可分為兩種：

①過渡金屬離子催化臭氧產生更多·OH；

②在催化劑與有機物或臭氧之間形成絡合物，提高臭氧與污染物的接觸時間和反應效率。

但實際過程中催化劑金屬離子不易回收，產泥量大造成二次污染，同時水處理成本較高，這使臭氧均相催化受到限制。

圖2. 非均相催化氧化體系中催化劑與臭氧對有機物的作用途徑

為解決上述難題，科力邇自主研發了一種非均相芬頓催化劑并獲得專利授權，將具有催化性能的過渡金屬離子通過摻雜、吸附、接枝改性等手段固定在固體催化劑載體之上，使用的過渡金屬離子包括Cu、Fe、Mn，Co、Zn、Ce、Ni、Cr中的一種或幾種。

這類催化劑催化臭氧氧化的主要作用機理有：

①固體催化劑催化臭氧產生更多·OH 氧化污染物；

②有機污染物吸附到固體催化劑上，方便臭氧與污染物進行反應；

③催化劑的吸附和催化共同作用降解有機污染物；

如圖2所示，臭氧在金屬氧化物（如 Al2O3、TiO2等）的路易斯中心上分解，臭氧分解發生在金屬氧化物表面的羥基上，這些活性點位均被視為促進臭氧分解的潛在催化中心。因此，負載型催化劑的性能主要取決于催化劑與載體的協同作用。

圖3. 科力邇自主研發的專利非均相臭氧氧化催化劑

科力邇非均相催化劑通過大量實驗及工程驗證，優化各組分配比，開發出具有高適應性和催化活性的催化劑。采用多段精準溫控燒結技術，在保證活性的同時，提高催化劑的穩定性，有效減少使用過程中的流失率，防止二次污染。采用特殊造孔技術比表面積可達250 m3/g以上；氧化效率比單純臭氧氧化提高2～5倍，且不易污染、結垢和堵塞，使用壽命超過五年；可長周期運行。