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有關(guān)催化臭氧化基礎與應用研究之淺見(jiàn)

 更新時(shí)間:2022-10-14 點(diǎn)擊量:1108

前不久,聽(tīng)了一教授關(guān)于活性物種評估方法的學(xué)術(shù)報告,受益不少,強化了我對催化臭氧化工藝的兩個(gè)認識:•OH是主導有機物氧化的主要活性物種;催化臭氧化過(guò)程中多種活性物種相互轉化,其過(guò)程相當復雜。但催化臭氧化工程應用,缺乏基礎研究有力支撐;基礎與應用研究鏈接不夠緊密,目前仍各唱各戲。


1、關(guān)于臭氧催化劑“作用域”及•OH反應動(dòng)力學(xué)

  學(xué)術(shù)界基本共識:•OH壽命僅約10 ns;那么,臭氧催化劑作用域就很小。我曾在多種場(chǎng)合強調這一問(wèn)題,并嘗試從有機物分子(而不是•OH)熱運動(dòng)角度估算距離大小,但仍未取得可靠結論。顯然,這一問(wèn)題不僅對工程實(shí)踐、甚至對實(shí)驗研究都關(guān)系重大。早在2018年我們申請鐵基催化劑單元化填料時(shí)就明確闡述了催化劑“作用域”概念,可惜至目前仍未得到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注。最近,文獻中閱讀到類(lèi)芬頓反應“限域強化”的概念,視角確實(shí)相近,很受鼓舞。

     學(xué)術(shù)界很重視•OH反應動(dòng)力學(xué),但指導實(shí)踐尚遠,且并非易事。常規化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)研究,反應物在反應前都是穩態(tài)物質(zhì),而•OH非也;•OH濃度應是單位時(shí)間單位體積產(chǎn)生量(這易估算)與其存活時(shí)間的乘積,其濃度非常小。若•OH濃度都測不準,我就不理解二級反應動(dòng)力學(xué)常數是如何測定的?除了二級反應動(dòng)力學(xué)模型,是否可以采納更合理的基元反應模型?

 

2、關(guān)于活性物種及有機物的臭氧化

   多種活性物種相互轉化,大家都有概念,特別是催化臭氧化過(guò)程中•OH與O2-•幾乎相互伴隨,故弄清這種轉化歷程對工程實(shí)踐意義不大。但有機物臭氧化過(guò)程也有活性物種產(chǎn)生,反應的中間產(chǎn)物有機物會(huì )影響反應物降解速率(見(jiàn)4月份推送消息);且有機物與自由基的反應一般為鏈式反應,產(chǎn)生的有機物自由基在后續反應中扮演重要角色,其持續降解過(guò)程尤為重要,關(guān)系到工藝中COD和TOC值的降低。因此,高級氧化過(guò)程中有機物反應的“斂散性”問(wèn)題,對指導工程實(shí)踐意義較大,但目前這種研究文獻尚少。

3、臭氧溶解、擴散與催化過(guò)程及反應器優(yōu)化

       可能受物理化學(xué)界研究氣態(tài)臭氧分解觀(guān)點(diǎn)的影響,我對“過(guò)渡金屬(羥基)氧化物是催化臭氧分解的催化劑”概念較深,不太認同活性炭(包括碳納米管等)是催化劑(當然不是說(shuō)它沒(méi)用,另論)。應注意:氣相臭氧與液相臭氧在催化劑表面分解形成的活性物種是不同的,很多文獻認為前者并不產(chǎn)生•OH,而是O2-•。若這樣,臭氧溶解過(guò)程對高級氧化機制影響很大。
盡管文獻和實(shí)踐均證明:臭氧溶解速率很快,反應器尾氣殘余臭氧不成問(wèn)題;但由此突出了液相臭氧的擴散問(wèn)題。只有溶解、擴散兩過(guò)程動(dòng)力學(xué)問(wèn)題得出量化結果,才能對反應器中催化劑空間布置及氣液流向進(jìn)行優(yōu)化設計,最大限度地提高•OH生成率,這是我們課題組正在開(kāi)展的應用研究。但關(guān)于氣相與液相臭氧在催化劑表面行為及對高級氧化的影響、臭氧溶解機理機制(氣、液相分子形態(tài),物理、化學(xué)溶解性質(zhì)等),作為催化臭氧化的基礎研究仍很必要。

 

 

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