科力邇硅鋁基臭氧催化劑在污水處理中的應用

背景與需求分析

臭氧高級氧化技術是一種利用臭氧作為氧化劑來處理水中的有機污染物和微生物的技術。其應用原理主要基于臭氧的強氧化性，能夠破壞有機物的化學結構，將其分解為無害的小分子物質。在水處理過程中，臭氧可以與水中的污染物發生直接反應，或者通過產生羥基自由基（·OH）等強氧化劑間接反應，從而達到凈化水質的目的。

• 與傳統水處理技術相比，臭氧高級氧化技術強氧化能力：

• 臭氧能夠氧化多種有機和無機污染物，包括難以生物降解的物質；

• 反應速度快：與傳統的化學處理方法相比，臭氧反應迅速，處理時間短；

• 無二次污染：臭氧在水中分解后主要生成氧氣，不會產生有害的副產品；

• 提高水質：臭氧處理可以有效去除水中的色、嗅、味，提高水質的透明度和口感；

• 靈活性高：臭氧處理系統可以根據不同的水質和處理要求進行調整，具有很好的適應性；

• 減少消毒副產物：與氯消毒相比，臭氧處理可以減少三鹵甲烷等消毒副產物的生成。

隨著全球對環境保護和水質安全要求的提高，臭氧高級氧化技術因其高效、快速、環保等優勢，在飲用水處理、工業廢水處理、污水處理廠尾水深度處理等領域具有廣闊的應用前景。

盡管臭氧高級氧化技術技術具有諸多優勢，但其在實際應用中也存在一些缺陷，如臭氧利用率低、處理成本高、設備投資大等。為了克服這些缺陷，非均相臭氧催化技術應運而生。

非均相臭氧催化技術通過催化劑的引入，可以顯著提高臭氧的利用率，降低處理成本，并提高反應速率。催化劑的存在可以促進臭氧分解產生更多的·OH，從而提高氧化效率。由于反應速率的提高，可以降低所需的臭氧和能量消耗，從而降低處理成本。非均相催化劑通常具有較好的穩定性和較長的使用壽命，減少了更換頻率和維護成本。

科力邇研發的新型硅鋁基臭氧催化劑KHC-F2001, 是提高反應效率、降低能耗的關鍵技術之一。該型催化劑采用了多種過渡金屬氧化物(含貴金屬)為催化組分，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；在焙燒過程中輔以獨特的成孔技術，制備的一種兼具高強度、高比表面積、高催化性能、耐酸堿且易于回收的硅鋁基催化劑，而且在穩定性、選擇性和環保方面表現出色，為水處理的可持續發展提供了新的動力。

隨著全球對環境保護和水質安全要求的不斷提高，臭氧催化劑在水處理行業中的市場需求日益增長。特別是在飲用水處理、工業廢水處理、污水處理廠尾水深度處理等領域，臭氧催化劑具有廣闊的應用前景。

科力邇硅鋁基臭氧催化劑（KHC-F2001）

硅鋁基催化劑是一類廣泛應用于石油化工領域的催化劑，主要由硅和鋁的氧化物組成。這類催化劑具有較高的比表面積、良好的熱穩定性和酸性，使其在催化裂化、烷基化、異構化等反應中表現出色。硅鋁基催化劑的制備方法主要包括溶膠-凝膠法、水熱合成法和微乳液法等?？屏兊难邪l人員采用溶膠-凝膠法，通過控制硅源和鋁源的配比、水解和縮聚反應條件，可以制備出不同孔結構和酸性的硅鋁基催化劑，從中篩選出最優的硅鋁基臭氧催化劑-KHC-F2001，其外觀為紅色球狀顆粒如下圖所示。

圖.科力邇KHC-F2001催化劑外觀圖

為了保證催化劑的催化活性和穩定性，KHC-F2001經過了改性處理，科力邇的研發人員通過金屬離子摻雜、酸處理、熱處理和表面修飾等改性方法，調節了硅鋁基催化劑的酸性、孔結構和表面性質，從而滿足不同反應的需求。該催化劑的活性中心主要是酸性位點，包括路易斯酸位和布倫斯德酸位。這些酸性位點可以促進反應物的吸附、活化和轉化，從而提高反應速率和選擇性。此外，KHC-F2001的表面性質和孔結構也對其催化性能有重要影響。

技術優勢

1.貴金屬沉積

貴金屬如鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）、銀（Ag）等，由于其獨特的電子結構和表面特性，能夠有效地促進反應物的吸附和活化，加速反應速率。這意味著在相同的反應條件下，摻雜了貴金屬的催化劑能夠更容易地啟動催化反應，從而提高反應速率和效率，科力邇的研發人員在針對石油化工、煤化工、醫藥廢水等多種廢水處理應用中得到了驗證。

經過長期的試驗論證，KHC-F2001摻雜貴金屬之后具有多方面的優勢，首先，摻雜可以顯著提高催化劑的活性，使得反應在更低的溫度或壓力下進行，從而節約能源。其次，摻雜可以增強催化劑的選擇性，減少副反應的發生，提高目標產物的產率。此外，摻雜貴金屬還可以提高催化劑的穩定性，延長其使用壽命，減少更換頻率和維護成本。摻雜貴金屬提高催化劑性能的機理主要包括以下幾點：

•  電子效應：貴金屬的摻雜可以改變催化劑表面的電子結構，增強催化劑表面的電子密度或電子缺失，從而提高催化活性位點的反應能力。

• 幾何效應：貴金屬的引入可能會改變催化劑的表面結構，例如形成更多的活性位點或優化活性位點的幾何構型，從而提高催化效率。

• 多金屬協同作用：貴金屬與基體金屬之間可能存在協同作用，這種相互作用可以促進反應物的吸附和活化，以及產物的脫附，從而提高催化性能。

• 熱穩定性：貴金屬的摻雜有助于提高催化劑的熱穩定性，使其在高溫條件下仍能保持良好的催化性能。

• 抗中毒能力：摻雜貴金屬可以提高催化劑的抗中毒能力，減少反應過程中可能產生的毒物對催化劑活性的影響。

以鉑為例，科力邇的研發人員將鉑引入到KHC-F2001后，大大豐富了催化劑的表面活性位點，這些活性位點能夠吸附氧氣分子，并通過電子轉移過程促進氧氣分子的解離，生成活性氧物種。這些活性氧物種是臭氧生成的關鍵中間體，它們能夠進一步與有機污染物發生反應，從而提高催化劑對有機污染物的氧化效率。此外，鉑的引入還可以改善催化劑的熱穩定性，減少催化劑在高溫條件下的燒結和失活，從而延長催化劑的使用壽命。同時，鉑的高選擇性可以減少副反應的發生，提高目標產物的產率。綜上所述，鉑的引入通過提供更多的活性位點、改善電子結構、增強吸附能力以及提高熱穩定性等機制，顯著提升了臭氧催化劑的性能。

2.多段精準控溫燒結技術

科力邇多段精準控溫燒結技術在制備臭氧催化劑方面具有顯著優勢。該技術通過精確控制燒結過程中的溫度，能夠優化催化劑的微觀結構，從而提高其催化效率和穩定性。溫度對臭氧催化劑性能的影響主要體現在以下幾個方面：

首先，溫度影響催化劑的活性組分分布。在特定的溫度下，催化劑中的活性組分能夠均勻分散，形成更多的活性位點，從而提高催化效率。例如，某些金屬氧化物催化劑在中低溫燒結時，活性組分分布較為均勻，能夠有效催化臭氧的分解。溫度影響催化劑的晶粒大小。適當的燒結溫度可以促進晶粒的生長，但過高的溫度會導致晶粒過度生長，減少活性表面積，降低催化活性。例如，銀基催化劑在400℃至500℃的溫度范圍內燒結，可以得到適宜大小的晶粒，展現出最佳的臭氧催化性能。

同時溫度還會影響催化劑的熱穩定性。適當的燒結溫度有助于形成穩定的晶體結構，提高催化劑的耐熱性能，從而在高溫條件下仍能保持良好的催化活性。例如，錳基催化劑在600℃至700℃的溫度下燒結，可以形成穩定的尖晶石結構，有效提升其在高溫下的臭氧催化性能。科力邇的研究人員基于催化劑的胚體與活性組分組成，經過數千次的試驗，得出了KHC-F2001最優的燒結程序，通過多段精準控溫燒結技術通過精確控制燒結過程，使催化劑在特定溫度下展現出最佳的臭氧催化性能，穩定性以及強度等。

3.高比表面積

高比表面積對于臭氧催化劑的催化性能至關重要，因為它直接關聯到催化劑表面活性位點的數量，從而影響催化效率和反應速率。比表面積越大，催化劑表面可用于反應的活性位點越多，這有助于提高催化反應的轉化率和選擇性。

科力邇的KHC-F2001催化劑的比表面積約250-300 m2/g，而市面上同類催化劑的比表面積僅為50-100 m2/g；KHC-F2001超高的比表面積主要得益于其獨特的噴霧造粒方法；粗細相配的原料組成，科力邇研發人員精心設計了硅鋁比例和其它成分的配比，以確保在燒結過程中形成多孔結構；多管齊下的造孔技術以及對燒結程序的精密把控，促進微孔的產生。

科力邇的研究人員在開發高比表面積催化劑時，面臨的一個主要挑戰是如何在提高比表面積的同時保持催化劑的機械強度。為了達到這一目標，研究人員需要精心設計催化劑的配方和制備工藝。這包括選擇合適的前驅體和成孔劑，優化燒結條件，以及可能的后處理步驟來增強催化劑的結構穩定性。此外，研究人員還需要進行大量的實驗來測試不同條件下的催化劑性能，既要保證了催化劑的機械強度，又避免了過度燒結導致的孔隙坍塌，從而在強度與比表面積之間取得了平衡，以找到最佳的平衡點。這一過程需要高度的專業知識和細致的實驗操作，以確保催化劑在實際應用中既具有高活性又具有足夠的機械強度。

通過這些綜合措施，科力邇成功研發出既具有高比表面積又保持良好機械強度的硅鋁基臭氧催化劑，有效提升了催化性能。

4.超親水改性對催化性能的提升

為了進一步提升KHC-F2001性能，使其在面對復雜的水質時依舊具有長期穩定的催化效果，科力邇使用了先進的原子沉積技術對該催化劑進行了超親水改性:首先對催化劑表面進行清潔和活化處理，以確保表面具有足夠的活性位點，便于后續原子沉積。通過物理或化學氣相沉積方法，在催化劑表面沉積一層或多層具有超親水性的原子或分子。這通常涉及使用特定的前驅體氣體，在一定溫度和壓力條件下，使原子或分子在催化劑表面形成均勻的薄膜。沉積完成后，可能需要進行熱處理以增強沉積層與催化劑基體之間的結合力，并優化超親水層的結構和性能。最后，對改性后的催化劑進行性能測試，以評估其超親水性能和催化活性。

科力邇的超親水改性技術會改變KHC-F2001表面的化學組成和結構，從而降低表面能，增加表面的親水性。原子沉積形成的超親水層可能會增加催化劑表面的粗糙度，從而提供更多的活性位點和反應界面。超親水層中含有羥基、羧基等親水性功能團，這些功能團能夠與水分子形成氫鍵，增強催化劑表面的親水性。經過精密的測試以及長期的試驗論證，科力邇的超親水該新技術對催化劑性能提升的影響主要體現在以下幾個方面：

•  提高催化活性：超親水表面可以促進反應物在催化劑表面的吸附和擴散，從而提高催化反應的速率和效率。

• 增強選擇性：超親水改性有助于提高催化劑對特定反應的選擇性，減少副反應的發生。

• 延長使用壽命：超親水層可以保護催化劑表面不受污染和毒化，從而延長催化劑的使用壽命。

• 提升穩定性：超親水改性有助于穩定催化劑的表面結構，使其在各種反應條件下都保持較高的活性和穩定性。

超親水改性能夠顯著提升催化劑的性能，使其在工業應用中表現出更好的催化效果。

產品參數

表.KHC-PC2001的性能參數

產品優勢

科力邇研發的KHC-PC2001催化劑具有以下優勢：

• 1）強度高：KHC-PC2001具備良好的機械強度，受壓強度＞150N/粒，能夠承受工業反應過程中的物理應力，延長使用壽命。

圖.KHC-PC2001催化劑強度測試結果

• 2）高效催化性能：該催化劑能夠有效降低臭氧分解所需的活化能，從而提高催化效率，加速污染物分解的過程。經實驗論證，科力邇的KHC-PC2001在工業廢水處理中的應用，可比市面上同類型的催化劑提高臭氧利用率20%以上，這意味著在相同條件下，使用該催化劑可以更快地降低廢水中的有機污染物濃度，提高處理效率。

• 3）比表面積大：KHC-PC2001的多孔結構有助于提高活性組分的分散性，減少催化劑顆粒的團聚現象，高比表面積意味著更多的活性位點暴露于反應物，從而提高催化效率。

• 4）活性位點豐富：豐富的活性位點能夠促進更多的化學反應，提高反應速率和選擇。

• 圖.KHC-PC2001在使用過程中將有機物氧化為二氧化碳產生豐富的微氣泡

• 5）不易堵塞，抗中毒能力強：由于KHC-PC2001結構特性，該催化劑不易被反應生成物堵塞，保持了良好的催化活性；且KHC-PC2001硅鋁基催化劑對有機物、重金屬等污染物具有較強的抗中毒能力，不易被污染，使用壽命長。

• 6）耐磨耐酸堿：KHC-PC2001具有良好的化學穩定性，能夠抵抗磨損和酸堿環境的侵蝕；同時具有良好的熱穩定性和化學穩定性，能夠在較寬的溫度和pH范圍內保持催化活性，不易失活。如下圖，科力邇的研發人員利用振蕩以及酸堿溶液浸泡的方式測試催化劑的耐磨耐酸堿性能，在300r/min，震蕩24h的條件下，KHC-PC2001的磨損率僅為0.13%；在pH=3、pH=12的酸堿溶液中浸泡12 h，催化劑無碎裂，金屬析出，表明KHC-PC2001耐磨性能良好、能夠輕松應對強酸強堿環境、穩定高效、安全可靠。

• 圖.催化劑耐磨性能、耐酸堿性能測試

• 7）易于回收：KHC-PC2001物理性質使其在使用后容易從反應體系中分離和回收，便于循環使用。

• 8）應用廣泛：KHC-PC2001適用于多種化學反應，包括石油化工、精細化工、制藥食品等行業，具有廣泛的應用前景。

應用領域與案例分析

1）老齡垃圾滲濾液處理

老齡垃圾滲濾液，作為垃圾填埋場長期運營后產生的復雜廢水，其特性分析是科力邇非均相臭氧催化技術應用的基石。這類滲濾液通常具有高濃度有機物、重金屬離子、氨氮及難降解物質等特點，其化學需氧量（COD）可高達數萬毫克升，遠超一般工業廢水處理標準。此外，老齡滲濾液的pH值波動大，色度高，且含有大量微生物代謝產物，處理難度極大。

科力邇注重將先進技術與實際應用相結合，通過不斷優化處理工藝流程和設備選型配置，實現了老齡垃圾滲濾液的高效處理。公司承建的多個處理項目均取得了顯著成效，例如下圖是KHC-PC2001處理福州某垃圾滲濾液前后對比，進水COD約3000 mg/L、總氮約150 mg/L，pH為7左右，該廢水色度高、可生化性差生化處理難以達標。經KHC-PC2001臭氧催化氧化工藝處理后，30min后出水COD降至200 mg/L以下、總氮將至60 mg/L，出水澄清透明，可生化性提高。同時，該技術不僅達到了全量化處理，還使污水廠運行更加穩定，也大幅降低了濃縮液處理成本。

圖. KHC-PC2001處理福州某垃圾滲濾液前后對比（進水；出水）

使用KHC-PC2001處理漳州某垃圾滲濾液前后對比，進水COD約400 mg/L，色度＞500，值得注意的是，該地產生的垃圾滲濾液鹽含量極高（＞30000mg/L）,傳統生化無法處理該類廢水，使用科力邇非均相臭氧氧化工藝處理處理該廢水，停留時間僅為30 min，出水COD＜60mg/L，色度降低至5以下。在采用科力邇非均相臭氧催化技術后，該垃圾填埋場的滲濾液處理效率提高了30%，同時能耗降低了20%，為項目方帶來了顯著的經濟效益和環境效益。據實驗數據顯示，科力邇自主研發的KHC-PC2001在高鹽度廢水連續運行數千小時后，其催化效率仍能保持在90%以上，這一成果在行業內處于領先地位。

圖. KHC-PC2001處理漳州某垃圾滲濾液前后對比（進水；出水）

2）醫藥廢水處理

據國家環保部門統計，醫藥工業作為高污染行業之一，其廢水排放量占全國工業廢水排放總量的相當比例，且廢水中含有大量難降解的有機物、重金屬離子及生物毒性物質，對水體環境構成嚴重威脅。若不經有效處理直接排放，將嚴重破壞生態平衡，影響人類健康。以內蒙古某大型制藥企業為例，其生產過程中產生的廢水COD（化學需氧量）濃度高達數千毫克升，遠超國家排放標準。該企業曾嘗試采用傳統生物處理工藝，但處理效果有限，難以達到環保要求。

在此背景下，科力邇利用獨家的臭氧催化氧化工藝處理醫藥廢水取得了較好的效果，其進出水的對比圖如下圖所示，醫藥廢水呈褐色，不僅濃度高，色度大還具有一定的生物毒性，經過科力邇以KHC-PC2001為核心的非均相臭氧氧化工藝處理后，在停留時間僅為15min的條件下，出水澄清透明，COD降至200mg/L以下，出水懸浮物將至20mg/L，B/C也從0.1以下提升至0.37，為該類廢水的處理提供了新的思路。

圖.利用KHC-PC2001處理內蒙古某醫藥廢水

科力邇硅鋁基臭氧催化劑，作為行業領先的環保解決方案，憑借其卓越的性能和獨特的優勢，在眾多硅鋁基臭氧催化劑中脫穎而出。高效催化性能、長壽命與低流失率、深度氧化能力、加壓催化反應、均相與非均相催化氧化、水力空化催化等多段、多維度、多重催化氧化反應過程相互協同，確保了處理效果的穩定性和可靠性。相比市面上單一催化方式的催化劑，我們的產品具有更高的處理效能和適應性。