Fenton試劑特性及其在水處理中的應(yīng)用

鄭 偉

[摘要]根據(jù)文獻資料,概述羥基自由基(HO·)的性質(zhì),系統(tǒng)介紹Fenton試劑及其幾種類Fenton試劑H2O2+UV(ultraviolet),H2O2+Fe2++UV,H2O2+Fe2++O2,H2O2+UV+O2和H2O2+Fe2++UV+O2的氧化特性,并對該領(lǐng)域國內(nèi)外研究動態(tài)及在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用狀況進行較為詳細的闡述。

[關(guān)鍵詞]Fenton試劑氧化廢水處理羥基自由基

中圖分類號:TV-9文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1120118-01

一、前言

在自然界中不僅很多化合物有很強的氧化性,而且當(dāng)其中幾種化合物混合起來或輔以特定物化條件時,往往會發(fā)揮更大的效果。1894年,H.J.H.Fenton發(fā)現(xiàn)Fe2+離子通過過氧化氫強烈的促進了蘋果酸的氧化,從此以后,眾多研究表明過氧化氫與亞鐵離子的結(jié)合,即Fenton試劑,對于許多有機物都有強烈的氧化作用。

Fenton反應(yīng)是一種均相的催化氧化反應(yīng),它采用過氧化氫為氧化劑,亞鐵鹽為催化劑,其反應(yīng)機理為:

Fe2++H2O2=Fe3++OHˉ+HO·

HO·+RH=H2O+R·

R·+Fe3+=R'·+Fe2+

R·+H2O=ROH+H+

R·+R·=R-R

反應(yīng)中產(chǎn)生的羥基自由基是Fenton試劑強氧化性的主要原因,其具有如下一些性質(zhì):

1.羥基自由基具有高的氧化電極電位(標準電極電位2.80伏);2. 羥基自由基具有很高的電負性或親電性;3.其電子親和能為569.3KJ;4. 容易進攻高電子云密度點;5.這就決定了HO·的進攻具有一定的選擇性;6.羥基自由基發(fā)生加成反應(yīng);7.當(dāng)有碳碳雙鍵存在時;8.除非被進攻的分子具有高度活潑的碳氫鍵;9.HO·將發(fā)生加成反應(yīng)。

影響Fenton試劑效果的主要因素為:pH值,亞鐵離子投加量與過氧化氫投加量之比,過氧化氫投加量與有機物濃度之比。研究表明反應(yīng)系統(tǒng)的最佳pH范圍為3～5,該范圍與有機物種類關(guān)系不大,原因是催化過氧化氫分解的鐵的有效形式是Fe(O2H)2+,Fe(OH)2,其在pH3～5的范圍內(nèi)濃度最高。Fe2+投加量的最佳值與過氧化氫投加量,有機物濃度等因素有關(guān),實驗發(fā)現(xiàn)Fe2+濃度滿足條件0.3<[Fe2+]/[H2O2]<1時效果較好。

二、Fenton試劑在水處理中的應(yīng)用

Fenton試劑在廢水處理中的應(yīng)用可分為兩個方面,一是單獨作為一種處理方法氧化有機廢水,二是與其他方法聯(lián)用,如與混凝沉降法,活性炭法,生物處理法等聯(lián)用。

(一)單獨處理方法

自從1964年加拿大學(xué)者H.R.Eisenhauer首次使用Fenton試劑處理苯酚廢水和烷基苯廢水以來,Fenton被廣泛應(yīng)用與各類水的處理中,以下略舉二例:

1.Fenton法處理垃圾滲濾液

垃圾滲濾液是一類含有多種有毒有害的難降解有機物的廢水,傳統(tǒng)的生化處理法雖然常常用來處理滲濾液,但由于其處理效果遠不及對城市污水的處理?；瘜W(xué)氧化法可以分解這些難降解的有機物,從而提高廢水的可生化降解性。Fenton試劑因其能夠產(chǎn)生極強氧化性的HO·自由基而被認為是處理滲濾液的一種替代方法。它由于費用低廉、操作簡便而受到人們的重視。試驗表明,當(dāng)雙氧水與亞鐵鹽的總投加比一定([Fe2+]/[H2O2]=1/3)時,COD的去除率隨雙氧水投加量的增加而增加,但與雙氧水在兩個氧化槽的投加比例無關(guān)。當(dāng)雙氧水的總投加量為0.1mol/L時,COD的去除率可達67.5%,這一結(jié)果同樣適用于其他垃圾填埋場的晚期滲濾液處理。

2.Fenton試劑處理活性黑KBR染料廢水

活性黑染料廢水具有溶性良好,可生物降解性差,對環(huán)境污染嚴重等特性,采用Fenton試劑可經(jīng)濟有效的去除水中的色度和COD,當(dāng)染料濃度為400mg/L,雙氧水投量為0.4ml/L,硫酸亞鐵投量為300mg/L時,可獲得96%脫色率和70%COD去除率。反應(yīng)最佳pH值為3～5。紫外光和亞鐵離子對過氧化氫的催化分解存在協(xié)同效應(yīng);H2O2++O2,H2O2+UV+O2,H2O2+Fe2++UV+O2等

方法引入了氧氣,加入氧氣可節(jié)約過氧化氫的用量,降低處理成本。其反應(yīng)機理主要為:(1)氧氣吸收紫外光后可生成臭氧等次生氧化劑。(2)氧氣通過誘導(dǎo)自氧化加入到反應(yīng)鏈中。

光助Fenton氧化處理PVA退漿廢水便是在Fenton反應(yīng)體系中輔以紫外光和可見光輻射,使其氧化效率比傳統(tǒng)Fenton反應(yīng)得到較大的提高。其具有的高效率是由于Fe2+和有機物、H2O2等組成的絡(luò)合物在光輻射下能迅速還原生成Fe(Ⅱ)的結(jié)果。PVA的去除是通過鐵鹽和PVA形成的大分子絡(luò)合物的直接降解而進行的。

(二)與其他方法聯(lián)用

日本進行了大量的聯(lián)用技術(shù)研究,主要集中在與生物法的聯(lián)用。Kokai用Fe2++H2O2+曝氣系統(tǒng)對甘醇廢水進行預(yù)處理,然后再接活性污泥法可去除99%的COD。另一種常見的方法是A-HiPO,即酸性凝聚過氧化氫氧化法。該法由酸性凝聚和過氧化氫氧化兩部分組成,酸性凝聚去除廢水中以COD為主要成分的高分子化合物,過氧化氫氧化去除較低分子的有機化合物,所使用的鐵催化劑可以回收作為凝聚劑,該法適用范圍廣,能深度去除廢水中的COD。近年來又出現(xiàn)了一種新穎的Fenton試劑處理廢水技術(shù),氧化偶合混凝法。所謂氧化偶合,就是廢水中的有機污染物在氧化劑的作用下發(fā)生偶合或聚合,形成分子量不太大的偶合或聚合產(chǎn)物,從而改變它們在水中的溶解性能及混凝沉降性能,然后通過混凝過濾去除。實驗結(jié)果表明低劑量的Fenton試劑氧化偶合混凝法可有效的去除廢水中的各類酚。當(dāng)TOC為200mg/L,過氧化氫投加量為100mg/L時,TOC去除率在40%～70%之間。偶合反應(yīng)與有機物種類關(guān)系不大,其產(chǎn)物是通過C-C鍵聯(lián)接而成。

三、結(jié)論

可見,Fenton試劑作為一種強氧化劑用于處理廢水中的有機污染物具有明顯的優(yōu)點,但制約其廣泛應(yīng)用的主要因素是其處理成本較高,但對于毒性大,一般氧化劑難氧化或生物難降解的有機廢水,Fenton法還是一種很好的方法。

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