Fenton試劑特性及其在水處理中的應用

鄭 偉

[摘要]根據文獻資料,概述羥基自由基(HO·)的性質,系統介紹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,并對該領域國內外研究動態及在工業廢水處理中的應用狀況進行較為詳細的闡述。

[關鍵詞]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,往往會發揮更大的效果。1894年,H.J.H.Fenton發現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合,即Fenton試劑,對于許多有機物都有強烈的氧化作用。

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

Fe2++H2O2=Fe3++OHˉ+HO·

HO·+RH=H2O+R·

R·+Fe3+=R'·+Fe2+

R·+H2O=ROH+H+

R·+R·=R-R

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

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.羥基自由基發生加成反應;7.當有碳碳雙鍵存在時;8.除非被進攻的分子具有高度活潑的碳氫鍵;9.HO·將發生加成反應。

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。研究表明反應系統的最佳pH范圍為3～5,該范圍與有機物種類關系不大,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,實驗發現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用

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

(一)單獨處理方法

自從1964年加拿大學者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。化學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。當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,對環境污染嚴重等特性,采用Fenton試劑可經濟有效的去除水中的色度和COD,當染料濃度為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同效應;H2O2++O2,H2O2+UV+O2,H2O2+Fe2++UV+O2等

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

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

(二)與其他方法聯用

日本進行了大量的聯用技術研究,主要集中在與生物法的聯用。Kokai用Fe2++H2O2+曝氣系統對甘醇廢水進行預處理,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。近年來又出現了一種新穎的Fenton試劑處理廢水技術,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生偶合或聚合,形成分子量不太大的偶合或聚合產物,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。偶合反應與有機物種類關系不大,其產物是通過C-C鍵聯接而成。

三、結論

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點,但制約其廣泛應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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