Fenton試劑在有機廢水處理中的研究

關(guān)鍵詞：難降解有機物；Fenton；羥基自由基
 
摘要:文章闡述了用Fenton試劑處理難降解污染物的現狀和進(jìn)展，簡(jiǎn)單介紹了其應用及原理。利用Fenton試劑去除水體中難降解、穩定性強且毒性大的有機污染物。

1894年, 化學(xué)家Fenton首次發(fā)現有機物在(H2O2)與Fe2+組成的混合溶液中能被迅速氧化，并把這種體系稱(chēng)為標準Fenton試劑，可以將當時(shí)很多已知的有機化合物如羧酸、醇、酯類(lèi)氧化為無(wú)機態(tài)，氧化效果十分明顯[1]。Fenton試劑是由H2O2和Fe2+混合得到的一種強氧化劑，特別適用于某些難治理的或對生物有毒性的工業(yè)廢水的處理。 
 
1. Fenton試劑降解有機物的機理 
 
Fenton試劑之所以具有非常高的氧化能力，是因為在Fe2+離子的催化作用下H2O2的分解活化能低(34.9 kJ/mol)，能夠分解產(chǎn)生羥基自基OH·。同其它一些氧化劑相比，羥基自由基具有更高的氧化電極電位，因而具有很強的氧化性能[2]。 
 
2. Fenton試劑的影響因素 
 
Fenton試劑處理難降解有機廢水的影響因素根據上述Fenton試劑反應的機理可知, OH·是氧化有機物的有效因子,而[Fe2+]、[H2O2]、[OH]決定了OH·的產(chǎn)量,因而決定了與有機物反應的程度。影響Fenton試劑處理難降解難氧化有機廢水的因素包括pH值、H2O2投加量、催化劑投加量和反應溫度[3]等。
 
2.1 pH值

Fenton試劑是在pH是酸性條件下發(fā)生作用的,在中性和堿性環(huán)境中, Fe2+不能催化H2O2產(chǎn)生OH·。按照經(jīng)典的Fenton試劑反應理論,pH值升高不僅抑制了OH·的產(chǎn)生, 而且使溶液中的Fe2+以氫氧化物的形式沉淀而失去催化能力。當pH值過(guò)低時(shí), 溶液中的H+濃度過(guò)高, Fe3+不能順利地被還原為Fe2+, 催化反應受阻。即pH值的變化直接影響到Fe2+、Fe3+的絡(luò )合平衡體系, 從而影響Fenton試劑的氧化能力。一般廢水pH在3左右，降解率較高。
 
2.2 H2O2投加量

采用Fenton試劑處理廢水的有效性和經(jīng)濟性主要取決于H2O2的投加量。一般地,隨著(zhù)H2O2用量的增加, 有機物降解率先增大, 而后出現下降。

2.3 催化劑投加量

FeSO4·7H2O是催化H2O2分解生成羥基自由基(OH·)最常用的催化劑。與H2O2相同, 一般情況下, 隨著(zhù)Fe2+用量的增加, 廢水COD的去除率先增大, 而后呈下降趨勢。其原因是: 在Fe2+濃度較低時(shí), Fe2+的濃度增加, 單位量H2O2產(chǎn)生的OH·增加, 所產(chǎn)生的OH·全部參與了與有機物的反應;當Fe2+的濃度過(guò)高時(shí),部分H2O2發(fā)生無(wú)效分解,釋放出O2。

2.4 反應溫度

對于一般的化學(xué)反應，隨著(zhù)反應溫度的升高，反應物分子平均動(dòng)能增大，反應速率加快。對于Fenton反應系統，溫度升高，OH·的活性增大，有利于OH·與廢水中有機物的反應，可提高廢水COD的去除率；當溫度過(guò)高時(shí)，會(huì )促使H2O2分解為O2和H2O，不利于OH·的生成，反而會(huì )降低廢水COD的去除率。 
 
3. Fenton試劑與其他方法的聯(lián)用 
 
為進(jìn)一步提高對有機物的去除效果，以標準Fenton試劑為基礎，通過(guò)改變和耦合反應條件，改善反應機制，得到了一系列機理相似的類(lèi)Fenton試劑，如光-Fenton試劑、電-Fenton試劑和混凝-Fenton試劑等。

3.1 光Fenton法

3.1.1 UVFenton法 
 
當有光輻射(如紫外光、可見(jiàn)光)時(shí),Fenton試劑氧化性能有很大的改善。UVFenton法也叫光助Fenton法,是普通Fenton法與UV H2O2兩種系統的復合,與該兩種系統相比,其優(yōu)點(diǎn)在于降低了Fe2+用量,提高了H2O2的利用率。這是由于Fe3+和紫外線(xiàn)對H2O2的催化分解存在協(xié)同效應。該法存在的主要問(wèn)題是太陽(yáng)能利用率仍然不高,能耗較大,處理設備費用較高。

3.1.2 UV-vis草酸鐵絡(luò )合物H2O2法

當有機物濃度高時(shí),被Fe3+絡(luò )合物所吸收的光量子數很少,且需較長(cháng)的輻照時(shí)間, H2O2的投加量也隨之增加, OH·易被高濃度的H2O2所清除。因而,UVFenton法一般只適宜于處理中低濃度的有機廢水[4]。當在UVFenton體系中引入光化學(xué)活性較高的物質(zhì)(如含Fe3+的草酸鹽和檸檬酸鹽絡(luò )合物)時(shí),可有效提高對紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光的利用效果。

3.2 電Fenton法

光Fenton法比普通Fenton法提高了對有機物的礦化程度[5]，但仍存在光量子效率低和自動(dòng)產(chǎn)生H2O2機制不完善的缺點(diǎn)。電Fenton法利用電化學(xué)法產(chǎn)生的H2O2和Fe2+作為Fenton試劑的持續來(lái)源, 與光Fenton法相比具有以下優(yōu)點(diǎn):一是自動(dòng)產(chǎn)生H2O2的機制較完善; 二是導致有機物降解的因素較多(除羥基自由基的氧化作用外, 還有陽(yáng)極氧化、電吸附等) 。由于H2O2的成本遠高于Fe2+, 所以通過(guò)電化學(xué)法將自動(dòng)產(chǎn)生H2O2的機制引入Fenton體系具有很大的實(shí)際應用意義, 可以說(shuō)電Fenton法是Fenton法發(fā)展的一個(gè)方向。

3.3 混凝- Fenton 法

混凝法對疏水性污染物有效[6]，Fenton 試劑氧化法對水溶性物質(zhì)的處理效果良好，而且，低劑量的Fenton 反應能降低有機物的水溶性，有助于混凝，因而混凝- Fenton 法在處理難生物降解廢水時(shí)可以取得良好的處理效果。 
 
4. 結語(yǔ) 
 
Fenton試劑作為一種強氧化劑用于處理難降解有機污染物具有明顯優(yōu)點(diǎn)，對于治理我國日益嚴重的環(huán)境污染問(wèn)題，特別是難降解有毒有機污染物的治理有著(zhù)十分重要的理論意義和應用價(jià)值。 
 
參考文獻 
[1] 張國卿, 王羅春, 徐高田, 等． Fenton試劑在處理難降解有機廢水中的應用[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2004，30(3)：17-19． 
[2] 高迎新, 楊敏, 王東升, 等． Fenton反應中水解Fe(Ⅲ)的形態(tài)分布特征研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2002，22(5)：551-556． 
[3] 陶長(cháng)元, 丁小紅, 劉作華, 等． Fenton類(lèi)氧化技術(shù)處理有機廢水的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)研究與應用，2007，19(11)：1177-1180． 
[4] 劉文輝, 劉增超, 趙曉光. UV-vis/草酸鐵絡(luò )合物/H2O2法處理垃圾滲濾液的研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(8)：22-23. 
[5] 張乃東, 鄭威, 彭永臻． 電-Fenton 法處理難降解有機物的研究進(jìn)展[J]. 上海環(huán)境科學(xué)，2002，21 (7)：440 – 441. 
[6] 王九思, 韓相恩, 趙紅花. 絮凝沉淀- Fenton 氧化法處理印染廢水[J]. 蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，20 (6)：68-71．來(lái)源：谷騰水網(wǎng) 作者: 曲偉　邢乃軍