臭氧氧化法影响因素及优缺点介绍

臭氧氧化法影响因素及优缺点介绍

1. 臭氧氧化法的基本原理

        20 世纪末，随着高频高压电晕放电的应用，O3相关技术应用及产业规模快速发展。目前，臭氧氧化技术早已成为水处理领域中极具发展及应用前景的技术。臭氧氧化过程可分为直接氧化和间接氧化。由O3的电子结构可知: O3既可作为亲电试剂，也可作为亲核试剂，臭氧两端的氧原子还可发生环加成反应。

        因此，臭氧直接氧化机理可分为亲电反应、亲核反应以及加成反应。O3直接氧化存在选择性，面对饱和脂肪族等有机物，O3难以直接将其氧化; 并且O3性质不稳定，会自行分解并释放出热量，如式( 29) 所示:

O3 →1. 5 O2 + 144. 45 kJ ( 29)

        臭氧间接氧化是指在水溶液中，O3与OH－ 等作用产生·OH，再通过·OH 氧化污染物。目前，关于O3在水体中链式分解的解释主要有TFG 和SBH 机理。在碱性条件下，O3与OH－ 的反应主要以TFG 模式进行，关键步骤如式( 30) —( 34) 所示; 而在弱酸性及中性条件下，则主要以SBH 模式进行，关键步骤如式( 35) —( 37) 所示。二者之间的差别在于链引发的方式不同，SBH 模式为单电子转移过程，TFG 模式为两电子转移过程。

        后来根据不同实验结果对这2 个机理进行修正，发展出SBH-1998、SBH-2009、TFG-2009 和NGF 等机理。周鹏等］利用Acuchem 软件模拟了O3链式分解过程，当pH= 5 和pH= 7 时，C-SBH-1998 与实际结果拟合良好，当pH = 10. 5 时，C-TFG-2009 与实际结果拟合良好。

2. 臭氧氧化法的影响因素

        臭氧氧化法主要受pH、温度、O3投加量/投加方式、淬灭剂等影响。由反应原理可知: pH 值影响O3与污染物的反应机制及反应动力学，酸性条件下O3与污染物的反应主要以直接氧化为主，反应速率常数k 为10－1 ～102 mol /( L·s) ，当pH＜4 时，间接氧化作用可忽略不计; 而在碱性条件下，主要以间接氧化为主，k 为106 ～109 mol /( L·s) 。当介质处于弱酸性与中性时，间接氧化以SBH 模式为主; 当处于碱性时，间接氧化以TFG 模式为主。

        温度影响O3在水体中的溶解度、稳定性及反应速率，升温会导致溶解度下降并加快O3分解，但升温有利提高反应速率。O3投加量直接影响污染物的降解效果。一般而言，增大O3投加量，污染物去除率会逐渐提高，但随着O3投加量的增加增幅逐渐减小，故O3投加量存在一个效果与经济均较佳的范围，因此要根据反应体系条件、处理目标、处理对象等确定; 另外，还需要考虑到溴酸盐、甲醛等臭氧化副产物的生成问题。

        投加方式影响传质过程。常见的投加方式有预投加、中间投加等。研究表明，多点布气和增加布气点数有助于O3传质，但当布气点数高于3 个点时，传质效率无明显提高并容易导致出水O3浓度过高。介质自由基淬灭剂如CO2－3 、HCO－3 、Cl－ 等会与污染物分子形成竞争，降低氧化效率。在实际应用中，可以通过加强预处理减少淬灭剂含量。

3. 臭氧氧化法的优缺点

        臭氧氧化技术的独特优势在于兼具消毒、脱色除臭的效果。可通过破坏致病菌的代谢酶、遗传物质或细胞膜的通透性等将微生物杀灭，其杀菌能力优于氯消毒，此外，O3可破坏碳氮双键、偶氮等发色或助色基团，还能氧化去除氨、硫化氢、甲硫醇等恶臭气体;无二次污染，剩余O3会自行分解并增加水体中的溶解氧; 曝气有搅拌作用，可均匀物料、强化传质效果。该技术面临的困境主要体现在O3产量低且利用率低、臭氧化副产物、设备腐蚀等方面。

      目前，生产O3的方法有介质阻挡放电法、紫外线法、电解法等，应用很广泛的介质阻挡放电法所产生的O3量不超过10%，大约85%的能量变为热量，能量浪耗严重且高温加剧O3分解。此外，气相O3浓度低和反应器传质效果差导致O3利用率低，可通过优化两相接触方式及其内部构件，如鼓泡扩散式、静态混合式、射流式、膜接触式、逆流接触式等，采用促传剂，降低表面张力，增加气泡溶解度，或外加电场、超声场等方式提高O3利用率。O3还能将水体中Br－ 氧化为具有潜在致癌作用的溴酸盐，GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中规定饮用水中溴酸根浓度不得超过0. 01 mg /L; O3氧化有机物的过程中可能产生醛类如甲醛、乙醛、乙二醛等副产物，对人体产生危害。此外，O3还会对设备、管道部件等造成腐蚀。