高级氧化的实质及工艺实现

2021-05-10 10:37:43

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高级氧化的实质是•OH主导的有机物氧化;•OH关键特征是寿命只有纳秒级。忽视这一实质和特征,难以在工艺中实现高级氧化机制。

高级氧化的实质是•OH主导的有机物氧化;•OH关键特征是寿命只有纳秒级。这是学术界公认的,但在实验研究、特别是工程实践中是否重视了这一实质和特征呢?恐怕不够!

有研究表明:催化剂表面产生•OH,其作用域距离仅约35nm。如何通过“传质”实现•OH与有机物分子碰撞,这是工艺开发必须关注的。工艺上“传质”手段仅为水流紊动(不加热前提下);但水中分子存在“热运动”,表现在微小颗粒上就是显微镜可观察的“布朗运动”,对微观尺寸的传质具有重大贡献,可以认为它扩展了•OH氧化有机物的“作用域”。

那么这个“作用域”有多大呢?爱因斯坦早期的论文(呵,牛)有报道“在17℃水中的悬浮粒子在1分钟时间里的平均位移大约是6μm”。这是“布朗运动”,是分子热运动撞击悬浮粒子不平衡产生的结果。分子热运动震荡的范围,涉及到扩散“传质”,这个距离估算为10μm不会偏大(限于学科知识,我没能找到计算方法,相信相关学科很容易解决这一问题)。

由此,我们可以推算工艺上对催化剂比表面积的要求。设表面为催化成份的规整填料孔隙孔径为D•OH作用域距离为∆R,作用域占微通道体积比约为4∆R/D;也就是说,至少要经过D/4∆R次完全更换传质,才能使水流全部经过•OH作用域。若D1mm∆R10μm,则需要25次更换传质;若孔径长(填料高度决定)为2500mm,则需要“径长比”为100时更换传质一次,这容易做到。但若D10mm,则每1“径长比”需更换传质一次,这很难做到。况且后者的比表面积及•OH产量只有前者的1% 。由此证明了填料“微通道”结构的重要性。当然,这只适用于催化臭氧,因为它的催化剂是真实化学意义的。

芬顿法是Fe2 活化H2O2产生•OH(非化学意义的“催化”);•OH再氧化有机物:

这步反应必须进行得很快,否则•OH也就猝灭了。由此,我们在工艺上采用静态混合器作为芬顿反应器,停留时间只有15秒。R•寿命较长,为秒级;根据高级氧化理论,它的后续氧化由分子态氧O2完成。因此,再后续溶气气浮单元,又增添了氧化有机物的功能。由此开发出的新工艺,大大降低了芬顿法的投资。


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