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有关催化臭氧化基础与应用研究之浅见

时间：2022-10-14 阅读：1291

前不久，听了一教授关于活性物种评估方法的学术报告，受益不少，强化了我对催化臭氧化工艺的两个认识：•OH是主导有机物氧化的主要活性物种；催化臭氧化过程中多种活性物种相互转化，其过程相当复杂。但催化臭氧化工程应用，缺乏基础研究有力支撑；基础与应用研究链接不够紧密，目前仍各唱各戏。

1、关于臭氧催化剂“作用域”及•OH反应动力学

学术界基本共识：•OH寿命仅约10 ns；那么，臭氧催化剂作用域就很小。我曾在多种场合强调这一问题，并尝试从有机物分子（而不是•OH）热运动角度估算距离大小，但仍未取得可靠结论。显然，这一问题不仅对工程实践、甚至对实验研究都关系重大。早在2018年我们申请铁基催化剂单元化填料时就明确阐述了催化剂“作用域”概念，可惜至目前仍未得到学术界和工程界的关注。最近，文献中阅读到类芬顿反应“限域强化”的概念，视角确实相近，很受鼓舞。

学术界很重视•OH反应动力学，但指导实践尚远，且并非易事。常规化学反应动力学研究，反应物在反应前都是稳态物质，而•OH非也；•OH浓度应是单位时间单位体积产生量（这易估算）与其存活时间的乘积，其浓度非常小。若•OH浓度都测不准，我就不理解二级反应动力学常数是如何测定的？除了二级反应动力学模型，是否可以采纳更合理的基元反应模型？

2、关于活性物种及有机物的臭氧化

多种活性物种相互转化，大家都有概念，特别是催化臭氧化过程中•OH与O2－•几乎相互伴随，故弄清这种转化历程对工程实践意义不大。但有机物臭氧化过程也有活性物种产生，反应的中间产物有机物会影响反应物降解速率（见4月份推送消息）；且有机物与自由基的反应一般为链式反应，产生的有机物自由基在后续反应中扮演重要角色，其持续降解过程尤为重要，关系到工艺中COD和TOC值的降低。因此，高级氧化过程中有机物反应的“敛散性”问题，对指导工程实践意义较大，但目前这种研究文献尚少。

3、臭氧溶解、扩散与催化过程及反应器优化

可能受物理化学界研究气态臭氧分解观点的影响，我对“过渡金属（羟基）氧化物是催化臭氧分解的催化剂”概念较深，不太认同活性炭（包括碳纳米管等）是催化剂（当然不是说它没用，另论）。应注意：气相臭氧与液相臭氧在催化剂表面分解形成的活性物种是不同的，很多文献认为前者并不产生•OH，而是O2－•。若这样，臭氧溶解过程对高级氧化机制影响很大。

尽管文献和实践均证明：臭氧溶解速率很快，反应器尾气残余臭氧不成问题；但由此突出了液相臭氧的扩散问题。只有溶解、扩散两过程动力学问题得出量化结果，才能对反应器中催化剂空间布置及气液流向进行优化设计，最大限度地提高•OH生成率，这是我们课题组正在开展的应用研究。但关于气相与液相臭氧在催化剂表面行为及对高级氧化的影响、臭氧溶解机理机制（气、液相分子形态，物理、化学溶解性质等），作为催化臭氧化的基础研究仍很必要。