[发明专利]一种水力空化协同高浓度活性氧制备羟自由基的方法

说明书

技术领域

本发明属于气体放电与环境保护应用技术领域，涉及一种高级氧化技术方法，尤其是一种水力空化协同高浓度活性氧制备羟自由基的方法。

背景技术

水体污染是目前中国面临的不得不解决的严峻的环境问题之一。每年全国有超过600亿m³的污水未经处理直接排入水体，导致我国江河、湖泊遭受污染。全国75％的湖泊已出现不同程度的富营养化，90％的城市水域污染严重；对我国118个大中城市的地下水调查显示，有115个城市地下水受到污染，其中重度污染约占40％。在今后相当长的时期内，水污染将是我国亟待解决的环境问题。

以羟自由基()为核心的高级氧化技术是近年新兴的水污染处理工艺。羟自由基具有极强的氧化能力，在水中会诱发一系列的自由基链反应，氧化分解几乎所有大分子有机污染物，使绝大部分有机物降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至完全矿化，剩余的羟自由基会分解成对环境无害的H₂O、O₂。

羟自由基的高效规模化制备是高级氧化技术应用的核心，常规产生羟自由基的方法主要有：臭氧法、过氧化氢法、芬顿法、光/电催化法、水激励法、以及电子束辐射法等。

臭氧(O₃)在碱性条件的水中可部分分解生成羟自由基，在紫外光作用下以及金属催化下也可产成羟自由基。单独使用臭氧制备羟自由基存在O₃利用率低、浓度低等问题，而且其造价高，因此逐渐发展了O₃/UV、O₃/H₂O₂、O₃/UV/H₂O₂、O₃/TiO₂/UV等组合技术。由于臭氧在水中的溶解度较低，如何更有效地使臭氧溶解于水，提高臭氧的利用效率已成为该技术研究的热点；另外由于臭氧产生效率低、耗能大，研制高效低能耗的臭氧发生装置也是当前臭氧法制备羟自由基要解决的关键问题。

过氧化氢(H₂O₂)高级氧化技术是20世纪70年代发展起来的新技术。H₂O₂在紫外线、臭氧和金属离子等的催化作用下均可以产生羟自由基。过氧化物对短波UV辐射(200～280nm)非常敏感，H₂O₂吸收UV光后过氧键立即分解产生羟自由基。与臭氧法相比，H₂O₂法制备羟自由基过程不需要发生设备，反应过程温和，通常对温度和压力无要求，但是往往需要投加大量的H₂O₂，导致生产成本较高，而且在H₂O₂的操作使用、保存运输过程中存在爆炸和腐蚀危险，因此使用该法制备羟自由基受到限制。

芬顿(Fenton)法是利用Fenton试剂(以Fe²⁺为代表)催化H₂O₂分解产生羟自由基的方法。Fenton法制备羟自由基存在反应时间长，使用Fenton试剂、H₂O₂的量大，成本高，而且过量使用Fe²⁺易产生二次污染等问题。

光催化氧化法是通过氧化剂在光的激发和催化剂的催化作用下产生羟自由基的方法。一般光催化氧化法使用的催化剂有TiO₂、ZnO、WO₃、CdS、ZnS和SnO₂等。早期的光催化氧化法主要以TiO₂粉末作为催化剂，存在催化剂易流失、难回收、费用高等缺点，使该技术的实际应用受到限制。近年来，一些学者开始研究以TiO₂薄膜或复合催化薄膜取代TiO₂粉末，同时对TiO₂进行过渡金属掺杂、贵金属沉积或光敏化等改性处理，以提高TiO₂的光催化活性或扩大可响应的光谱范围，提高对可见光的吸收，但目前仍没有彻底解决问题。

电化学催化法利用具有催化活性的电极材料，在电极反应过程中直接或间接产生羟自由基。电化学催化法操作简便易于控制，但存在析氧析氢副反应、能耗大、设备成本高等缺点。