Tecnología de ozono catalítico para el tratamiento de agua Resumen de 3 catalizadores de uso común
La tecnología de oxidación catalítica de ozono es una tecnología de oxidación avanzada basada en ozono, que combina la fuerte propiedad oxidante del ozono y la adsorción y propiedad catalítica del catalizador, y puede resolver el problema de la degradación incompleta de la materia orgánica de manera más efectiva.
La tecnología de oxidación catalítica de ozono se divide en tecnología de oxidación catalítica de ozono homogénea y tecnología de oxidación catalítica de ozono multifásica según el estado de fase del catalizador. En la tecnología de oxidación catalítica de ozono homogénea, el catalizador está distribuido uniformemente y tiene una alta actividad catalítica, y el mecanismo de acción es claro y fácil de estudiar y comprender. Sin embargo, sus deficiencias también son obvias: el catalizador es miscible en agua, lo que hace que sea fácil de perder, no fácil de recuperar y produce contaminación secundaria, altos costos operativos, lo que aumenta el costo del tratamiento del agua. Tecnología de oxidación catalítica de ozono multifásico que utiliza catalizadores sólidos a presión atmosférica para acelerar la reacción de oxidación de la fase líquida (o fase gaseosa), el catalizador existe en estado sólido, es fácil de separar del agua, tiene menos contaminación secundaria y simplifica el tratamiento. proceso, que está atrayendo cada vez más atención.
Para la tecnología de oxidación catalítica de ozono, la selección de catalizadores sólidos es la clave para la eficacia de oxidación eficiente de la tecnología. Se encuentra que los catalizadores multifásicos tienen tres funciones principales:
Primero, la adsorción de materia orgánica, para aquellos catalizadores con una capacidad de adsorción relativamente grande, cuando el agua entra en contacto con el catalizador, la materia orgánica en el agua se adsorbe primero en la superficie de estos catalizadores, formando quelatos superficiales con afinidad, lo que provoca la oxidación del ozono. más eficiente.
En segundo lugar, la activación catalítica de las moléculas de ozono, este tipo de catalizador tiene una actividad catalítica de alta eficiencia, puede activar eficazmente las moléculas de ozono, las moléculas de ozono en el papel de este tipo de catalizador son fáciles de descomponer y producir, como radicales hidroxilo y otros altamente oxidantes. radicales, mejorando así la eficiencia de la oxidación del ozono.
En tercer lugar, sinergismo de adsorción y activación, este tipo de catalizador no solo puede adsorber eficientemente contaminantes orgánicos en el agua, sino que también puede catalizar la activación de moléculas de ozono, generando radicales libres altamente oxidantes, en la superficie de este tipo de catalizador, la adsorción de orgánicos. La sinergia de activación de contaminantes y oxidantes puede lograr un mejor efecto de oxidación catalítica del ozono.
Los catalizadores implicados en la tecnología de oxidación catalítica de ozono multifásico son principalmente óxidos metálicos (Al2O3, TiO2, MnO2, etc.), metales u óxidos metálicos cargados en el soporte (CuTiO2, CuAl2O3, TiO2AlO3, etc.) y materiales porosos con gran superficie específica. . La actividad catalítica de estos catalizadores se caracteriza principalmente por la descomposición catalítica del ozono y la promoción de radicales hidroxilo. La eficiencia del proceso de oxidación catalítica del ozono depende principalmente del catalizador y sus propiedades superficiales, el pH de la solución, que puede afectar la naturaleza de los sitios activos en la superficie del catalizador y la reacción de descomposición del ozono en solución.
1. Los catalizadores metálicos (cargados) preparados de cierta manera pueden inducir la descomposición del ozono en el agua y producir radicales libres con propiedades oxidantes muy fuertes, mejorando así significativamente su efecto de descomposición sobre la materia orgánica altamente estable en el agua. Se pueden utilizar muchos metales para catalizar el proceso de oxidación del ozono, como titanio, cobre, zinc, hierro, níquel, manganeso, etc.
2. Óxidos metálicos Los óxidos metálicos pueden afectar directamente la elección racional del mecanismo de reacción catalítica y su eficiencia. Generalmente, el grupo hidroxilo en la superficie de los óxidos metálicos es el sitio activo de la reacción catalítica, que adsorbe aniones y cationes del agua liberando protones y grupos hidroxilo en el agua y sufre una reacción de intercambio iónico, lo que resulta en la formación de un grupo de Bronsted. sitio ácido, que generalmente se considera el centro catalítico de los óxidos metálicos. A continuación se describen en detalle varios catalizadores de óxidos metálicos, como TiO2, Al2O3 y MnO2, que han sido ampliamente estudiados.
(1). El dióxido de titanio TiO2TiO2 se utiliza generalmente como reacción fotocatalítica, pero también es eficaz en la oxidación de materia orgánica en agua catalizada por ozono, ya sea como catalizador para la reacción de ozonización solo o como cocatalizador para la ozonización junto con luz ultravioleta.Beltran et al. investigó el efecto de la ozonización catalítica para la degradación del ácido oxálico utilizando polvo de TiO2 como catalizador. En comparación con el sistema de oxidación con ozono solo, la tasa de eliminación y el grado de mineralización del ácido oxálico mediante ozonización catalítica multifásica mejoraron enormemente.
(2). La alúmina Al2O3Al2O3 se usa generalmente como portador de catalizadores, pero algunos investigadores han descubierto que también tiene cierta capacidad para catalizar la ozonización. Ni y Chen demostraron que la presencia de y-Al2O3 aumentaba la eliminación de carbono orgánico del 2-clorofenol del 21 % al 43% con la oxidación del ozono únicamente, y que el agotamiento del ozono fue solo la mitad con la ozonización únicamente. No hubo cambios significativos en el efecto de eliminación después de tres usos consecutivos del catalizador.
(3). Dióxido de manganeso MnO2 Entre todos los óxidos de metales de transición, se considera que el MnO2 exhibe la mejor actividad catalítica y puede catalizar eficazmente la degradación del mayor número de especies orgánicas. En los últimos años, la aparición de nanomateriales ha brindado nuevas oportunidades para el desarrollo de materiales catalíticos nuevos y eficientes para la ozonización, y el uso de nanomateriales ha mejorado la eficiencia catalítica de los catalizadores en comparación con los catalizadores convencionales en fase masiva. La investigación de nanomateriales de óxidos de metales de transición para aplicaciones catalíticas se ha informado en muchas publicaciones. En la ozonización catalítica se utilizan algunos nanocatalizadores con óxidos de metales de transición como componentes activos, como CO3O4, Fe2O.
3. TiO, ZnO, etc. han logrado un mejor efecto catalítico.3 Carbón activado El carbón activado es un material carbonoso que consiste en una mezcla de pequeñas partes cristalinas y no cristalinas, y la superficie del carbón activado contiene una gran cantidad de grupos ácidos o básicos. , y la presencia de estos grupos ácidos o básicos, especialmente hidroxilo e hidroxilo fenólico, hace que el carbón activado no solo tenga capacidad de adsorción sino también capacidad catalítica. Durante el proceso sinérgico ozono/carbón activado, el ozono se acelera hasta convertirse en radicales hidroxilo mediante la adsorción de carbón activado, mejorando así la eficiencia de oxidación. La diferencia entre el carbón activado como catalizador y el óxido metálico como catalizador para la ozonización catalítica es el diferente mecanismo de descomposición del ozono: la base de Lewis en la superficie del carbón activado juega el papel principal; mientras que el ácido de Lewis en la superficie del óxido metálico es el punto activo del proceso catalítico. Además, para el sistema catalítico de carbón activado, la propiedad de adsorción de la superficie del carbón activado juega un papel más importante, por lo que la eficiencia de la degradación por ozonización se ve muy afectada por la acidez y alcalinidad del medio. Actualmente, existe una gran cantidad de literatura que describe el mecanismo de la tecnología de oxidación catalizada por ozono multifásica. Generalmente se reconocen tres posibles mecanismos:
(1). Se cree que la materia orgánica se absorbe químicamente en la superficie del catalizador, formando quelatos superficiales con cierta nucleofilicidad, con los cuales el ozono o los radicales hidroxilo luego sufren una reacción de oxidación, formando intermediarios que pueden oxidarse aún más en la superficie o pueden desorberse en solución. para oxidarse aún más, como se muestra en la Fig. 1. El sistema de oxidación catalítica de algunos catalizadores con capacidad de adsorción relativamente grande tiende a seguir este mecanismo.
(2). El catalizador no solo adsorbe materia orgánica, sino que también reacciona directamente con el ozono en una reacción redox, produciendo metales en estado oxidado y radicales hidroxilo que pueden oxidar directamente la materia orgánica, como se muestra en la Figura 2.
(3). Los catalizadores catalizan la descomposición del ozono para producir un oxidante más reactivo, que reacciona con moléculas orgánicas no adsorbidas químicamente.
