很近，催化臭氧方法在深度處理中的應用蓬勃發展，令人欣喜。自然，去除廢水中單位COD所需消耗的臭氧量（質量比），不僅是個重要的實踐問題，也有重大理論意義，暫且稱為“當量”。臭氧氧化有機物有兩種途徑：

一、臭氧的直接氧化

臭氧可以氧化很多有機物，盡管大部分有機物并不能徹底被氧化為CO₂和H₂O，它的理論當量可以通過化學反應式計算出。有個很著名的反應叫“Criegee臭氧化反應”（見百度百科），是臭氧氧化烯烴的反應：

 

從式中可以看到，反應后臭氧中三個元素氧全部進入了有機物中，所以理論當量比（不考慮現實測定中反應物與產物不能測出COD值的情況）應為：

O₃ : rCOD = 1.0

當然這是理論值，建立在純化學物質反應式基礎上的。

百度知道中，曾有人問：“在污水中，1kg臭氧能處理多少COD？”答：“臭氧起氧化作用的只有一個氧原子；所以用于處理COD的話，應該只有1/3起作用；能處理1/3kgCOD”。我在多個報告中都提及這個答案，并指出它是錯誤的。

二、形成羥基自由基的間接氧化

關于實際廢水深度處理中臭氧的理論消耗量的問題，2016年前后始終困擾著我。逐漸地，我形成這一調研思路：先弄清臭氧形成自由基的反應式。

哈爾濱工業大學馬軍教授2006年指導的博士論文有描述：

1：O₃ + OH^-→ HO₂^- + O₂    

2：O₃ + HO₂^-→ ^• OH + O₂^•-+ O₂

3：O₃ + O₂^•-→ O₃^•-+ O₂

        O₃ ^•- + H⁺→ HO₃^•

        HO₃^•  →  ^•OH + O₂

上述方程式在該論文中表示臭氧在蒸餾水中的分解，并指出：3分子的O₃可生成 2分子·OH 。

而在該論文闡述異相催化機理時，引用了類似下圖：

這張圖，是我根據該論文改繪的（見文獻：Tao Zhang, Jun Ma^∗. Catalytic ozonation of trace nitrobenzene in waterwith synthetic goethite. Journal ofMolecular Catalysis A: Chemical 279 (2008), 82–89），原理未動，主要是為配合上述化學反應式，稍做改動。由此我認為：不論是臭氧在液相、還是在催化劑表面，形成自由基反應步驟是一樣的。

關于自由基主導的氧化反應，有較多的報道：

RH + •OH  → R• + H₂O                         （1）

R• + O₂  → ROO•                                   （2）

ROO• + RH  → ROOH + R•                    （3）

R• + H₂O  → ROH + H •                         （4）

H• + O₂  → HO₂•                                    （5）

HO₂ •  → H⁺+ O₂^—•                               （6）

R• + O₂^—•  → ROO^—  → … → CO₂ + H₂O        （7）

如果認為反應至（6）結束，則得出結論：一個·OH誘導 2O₂參與氧化。

結合自由基產生和自由基誘導氧化有機物兩步反應，可得出高級氧化時臭氧的理論當量比：

O₃ : rCOD = 9 : 8

這個理論值是我獨立推導的，但推導過程極其粗糙，甚至不敢斷定是否有普遍意義，我在歷次會議上都這么強調；并告知，兩步反應分別是其他學者的成果。

推導這個理論值，我是否是第一人呢？不能確定，因我看的文獻有限。但在我查閱到的文獻范圍內，沒有見到其他人推導。盡管推導出這個值只要初中文化水平就夠了，但重要的是將兩類過程聯系起來。我認為：認真研究這一理論值，對完善臭氧化深度處理理論，有重要意義。

上述推導， 很遲于2017年我在多次報告中都有講述，在公眾號【技術探討】【持續研討】“16、關于催化劑單元化裝置”章節，記載了全部內容，且表明了“原創”。

為什么說上述推導過程是極其粗糙的呢？

以自由基主導的氧化反應七式為例：反應至(6)式，產物中仍有個O₂^—•，若我們認為它與水迅速發生歧化反應，生成O₂、H₂O₂、OH⁻等穩定物質，上述討論就可成立。

但涉及到自由基的反應太多、太復雜，如：R• 與H₂O反應，即(4)式；當然R• 也可以與O₂反應，即(2)式；R• 與O₂^—•反應，即(7)式。還有反應速率常數問題，但自由基壽命都極短（•OH只有納秒級），如何計算反應速率常數，我還沒有搞懂。

 

今天討論這個議題，并非在我工作計劃中。源于6月3日上海世環會召開了“2019工業廢水提標改造的新技術、新設備高級研討會”，上午我做了一個“廢水深度處理方法淺析及綠色工藝 — 催化臭氧研討”的報告，之后我只聽了南京工業大學環境學院院長徐教授所做的報告，他也有講催化臭氧氧化工藝，報告內容之豐富、論證之嚴謹，給我留下深刻印象。

據同行說，下午某一大公司專門報告了他們的催化臭氧技術，并有大量的工程案例。這很好么，大家都在推進臭氧技術的應用，在這個意義我們都是“同一戰壕中的戰友”。但不幸的是：報告人還有講到臭氧的理論消耗量問題，把上述兩個過程的反應式都展示了，明確了9:8為1.125的關系。這也沒有問題，只要交待這是他人成果。問題在于：報告人引用了“臭氧直接氧化”作為比較，認為“臭氧直接氧化”當量是3:1，與“百度知道”的答案對號入座。

由前述分析可以知道，對于臭氧的直接氧化，必有反應式，即可由純物質參與反應式推導出臭氧當量。對于能夠與臭氧反應的有機物，理論值可達到1；但因為臭氧直接氧化能力弱、氧化有機物種類特異性強，很難找到對應實際廢水COD的當量通式。而對于臭氧的間接氧化，即形成羥基自由基的氧化，適應性廣，對于一大類屬于所謂“促進劑”的有機物，可由上述兩步反應描述氧化過程，由此可推導出9:8的關系。氧化有機物的兩類反應，性質有明顯的差異；弄不清這種區別，就沒有掌握催化臭氧氧化的實質。遺憾的是，該大公司報告人在這一點上犯了點小錯誤，說明他沒有搞懂“臭氧直接氧化”和“理論COD值“的本質，有可能是對別人報告的囫圇吞棗。

當然上述爭論，并不涉及職業道德問題。科學的發展，就是容錯和糾錯的過程。我同樣歡迎別人，從理論方面質疑我的成果。但有一點，我想提醒某大公司的報告人：

此圖，我歷次報告中都用，盡管圖中所有數據都是引用的，但表格是我制作的，我的書寫習慣都嵌入其中，比如說是陰離子，我喜歡用全角“—”作為上標。若直接拷貝，雖不是什么大問題，但明顯抄襲是說不過去的。代表大公司的報告，應慎之又慎。

本文作者馬魯銘，歡迎大家討論，歡迎大家批評指正！

標簽:臭氧氧化(12)有機物(3)

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