微纳米气泡臭氧催化氧化与传统曝气处理有机废水效果对比

1. 研究背景：染料、医药行业发展带来难降解有机化工废水污染问题，其中硝基苯毒性大，被列为优先污染物，传统处理方法难以高效降解，臭氧催化氧化是研究热点但存在臭氧传质效率低等问题，微纳米气泡强化臭氧催化氧化技术有望弥补不足。

2. 材料与方法

    材料与仪器：使用多种试剂，包括无水乙醇、硝基苯等，以及自制的Mn/Mg/Ce型三元臭氧催化剂，使用多种仪器如臭氧发生器、高效液相色谱仪等。

    试验装置：设计微纳米气泡试验装置（采用加压溶气释气法制备微纳米气泡）和传统曝气试验装置（采用鼓泡方式产生大气泡）进行对比。

    催化剂：选用非均相催化臭氧氧化方式，使用Mn/Mg/Ce型三元臭氧催化剂，通过浸渍焙烧法制备，负载后元素摩尔比与理论值相符。

    试验设计：进行臭氧氧化降解NB试验、臭氧催化氧化降解NB试验、催化剂静态吸附试验。

    响应曲面试验设计：探究催化剂投加量、pH和反应温度对微纳米气泡强化臭氧催化氧化NB效率的影响。

    自由基淬灭试验：分析反应机制及不同自由基贡献率，选择叔丁醇和对苯醌作为淬灭剂。

    分析方法：对微纳米气泡进行表征，检测NB浓度、COD及臭氧溶解度。

   设备：试验所用试剂无水乙醇（ACS，99.5%）、硝基苯（AR，99%）、甲醇（HPLC，99.9%）、叔丁醇（AR，99%）和对苯醌（AR，99%），催化剂为实验室自制Mn/Mg/Ce型三元臭氧催化剂，试验用水均为蒸馏水。 主要仪器：水冷型臭氧发生器、分析天平、臭氧浓度检测仪（3S-J5000，北京同林科技有限公司）、高效液相色谱仪、便携式臭氧检测仪、COD快速消解仪和COD快速测定仪5B-3C（V8）、X射线光电子能谱仪、纳米粒度/Zeta电位分析仪。

3. 结果与讨论

    微纳米气泡的表征：平均纳米粒径在1078nm，粒径分布均匀，静置3d后粒径更均匀，Zeta电位为−28.11mV，强化能力强。

    催化剂对NB的吸附平衡：25min达到吸附平衡，微纳米气泡MC组吸附率为18.7%，传统曝气LC组为14.6%，微纳米气泡装置中吸附率更高。

    微纳米气泡与传统曝气效果对比

        臭氧溶解度：不投加催化剂时，微纳米气泡装置中臭氧平衡溶解度为12.54mg/L，传统曝气装置为5.69mg/L，投加催化剂后，分别为13.50mg/L和5.85mg/L，微纳米气泡装置中臭氧溶解度显著提高。

        NB降解效果：投加催化剂，臭氧处理120min后，微纳米气泡MC组NB去除率为86.67%，传统曝气LC组为68.02%；未投加催化剂时，微纳米气泡M组和传统曝气L组对NB的去除率分别为75.60%和53.34%，催化剂可增强降解效果，微纳米气泡装置降解效率更高。

        COD去除效果：投加催化剂后，微纳米气泡MC组COD去除率比传统曝气LC组提高了36.6%；未投加催化剂时，微纳米气泡M组COD去除率比传统曝气L组提高了28.6%，微纳米气泡强化臭氧催化氧化对COD去除作用更强。

    响应曲面优化分析：得到NB去除率公式，方差分析表明模型可信度高，影响因素显著程度为pH>催化剂投加量>温度，预测最佳条件下NB去除率为88.91%，验证试验结果为89.42%，与预测值接近。

    自由基贡献率：确定完全淬灭・OH 和⋅O 2− 的淬灭剂浓度分别为 20g/L 和 18g/L，微纳米气泡 MC 组中・OH 贡献率为 58.9%，⋅O 2−贡献率为 22.41%，传统曝气 LC 组中二者贡献率稍低，・OH 起主要作用。

4. 研究结论：微纳米气泡提高臭氧传质效率和溶解度，增强臭氧高级氧化反应；该技术靠・OH 和⋅O 2−降解有机物，对 NB 去除率高；加压溶气释气法制备的微纳米气泡有强化效果，但制备工艺需优化。

摘自：秦雅萍，任会学，方睿，等.微纳米气泡强化臭氧高级催化氧化处理硝基苯废水的效果[J].环境工程技术学报，2025，15（2）：584-593. DOI:  10.12153/j.issn.1674-991X.20240196