Fenton试剂特性及其在水处理中的应用

郑 伟

[摘要]根据文献资料,概述羟基自由基(HO·)的性质,系统介绍Fenton试剂及其几种类Fenton试剂H2O2+UV(ultraviolet),H2O2+Fe2++UV,H2O2+Fe2++O2,H2O2+UV+O2和H2O2+Fe2++UV+O2的氧化特性,并对该领域国内外研究动态及在工业废水处理中的应用状况进行较为详细的阐述。

[关键词]Fenton试剂氧化废水处理羟基自由基

中图分类号:TV-9文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120118-01

一、前言

在自然界中不仅很多化合物有很强的氧化性,而且当其中几种化合物混合起来或辅以特定物化条件时,往往会发挥更大的效果。1894年,H.J.H.Fenton发现Fe2+离子通过过氧化氢强烈的促进了苹果酸的氧化,从此以后,众多研究表明过氧化氢与亚铁离子的结合,即Fenton试剂,对于许多有机物都有强烈的氧化作用。

Fenton反应是一种均相的催化氧化反应,它采用过氧化氢为氧化剂,亚铁盐为催化剂,其反应机理为:

Fe2++H2O2=Fe3++OHˉ+HO·

HO·+RH=H2O+R·

R·+Fe3+=R'·+Fe2+

R·+H2O=ROH+H+

R·+R·=R-R

反应中产生的羟基自由基是Fenton试剂强氧化性的主要原因,其具有如下一些性质:

1.羟基自由基具有高的氧化电极电位(标准电极电位2.80伏);2. 羟基自由基具有很高的电负性或亲电性;3.其电子亲和能为569.3KJ;4. 容易进攻高电子云密度点;5.这就决定了HO·的进攻具有一定的选择性;6.羟基自由基发生加成反应;7.当有碳碳双键存在时;8.除非被进攻的分子具有高度活泼的碳氢键;9.HO·将发生加成反应。

影响Fenton试剂效果的主要因素为:pH值,亚铁离子投加量与过氧化氢投加量之比,过氧化氢投加量与有机物浓度之比。研究表明反应系统的最佳pH范围为3～5,该范围与有机物种类关系不大,原因是催化过氧化氢分解的铁的有效形式是Fe(O2H)2+,Fe(OH)2,其在pH3～5的范围内浓度最高。Fe2+投加量的最佳值与过氧化氢投加量,有机物浓度等因素有关,实验发现Fe2+浓度满足条件0.3<[Fe2+]/[H2O2]<1时效果较好。

二、Fenton试剂在水处理中的应用

Fenton试剂在废水处理中的应用可分为两个方面,一是单独作为一种处理方法氧化有机废水,二是与其他方法联用,如与混凝沉降法,活性炭法,生物处理法等联用。

(一)单独处理方法

自从1964年加拿大学者H.R.Eisenhauer首次使用Fenton试剂处理苯酚废水和烷基苯废水以来,Fenton被广泛应用与各类水的处理中,以下略举二例:

1.Fenton法处理垃圾渗滤液

垃圾渗滤液是一类含有多种有毒有害的难降解有机物的废水,传统的生化处理法虽然常常用来处理渗滤液,但由于其处理效果远不及对城市污水的处理。化学氧化法可以分解这些难降解的有机物,从而提高废水的可生化降解性。Fenton试剂因其能够产生极强氧化性的HO·自由基而被认为是处理渗滤液的一种替代方法。它由于费用低廉、操作简便而受到人们的重视。试验表明,当双氧水与亚铁盐的总投加比一定([Fe2+]/[H2O2]=1/3)时,COD的去除率随双氧水投加量的增加而增加,但与双氧水在两个氧化槽的投加比例无关。当双氧水的总投加量为0.1mol/L时,COD的去除率可达67.5%,这一结果同样适用于其他垃圾填埋场的晚期渗滤液处理。

2.Fenton试剂处理活性黑KBR染料废水

活性黑染料废水具有溶性良好,可生物降解性差,对环境污染严重等特性,采用Fenton试剂可经济有效的去除水中的色度和COD,当染料浓度为400mg/L,双氧水投量为0.4ml/L,硫酸亚铁投量为300mg/L时,可获得96%脱色率和70%COD去除率。反应最佳pH值为3～5。紫外光和亚铁离子对过氧化氢的催化分解存在协同效应;H2O2++O2,H2O2+UV+O2,H2O2+Fe2++UV+O2等

方法引入了氧气,加入氧气可节约过氧化氢的用量,降低处理成本。其反应机理主要为:(1)氧气吸收紫外光后可生成臭氧等次生氧化剂。(2)氧气通过诱导自氧化加入到反应链中。

光助Fenton氧化处理PVA退浆废水便是在Fenton反应体系中辅以紫外光和可见光辐射,使其氧化效率比传统Fenton反应得到较大的提高。其具有的高效率是由于Fe2+和有机物、H2O2等组成的络合物在光辐射下能迅速还原生成Fe(Ⅱ)的结果。PVA的去除是通过铁盐和PVA形成的大分子络合物的直接降解而进行的。

(二)与其他方法联用

日本进行了大量的联用技术研究,主要集中在与生物法的联用。Kokai用Fe2++H2O2+曝气系统对甘醇废水进行预处理,然后再接活性污泥法可去除99%的COD。另一种常见的方法是A-HiPO,即酸性凝聚过氧化氢氧化法。该法由酸性凝聚和过氧化氢氧化两部分组成,酸性凝聚去除废水中以COD为主要成分的高分子化合物,过氧化氢氧化去除较低分子的有机化合物,所使用的铁催化剂可以回收作为凝聚剂,该法适用范围广,能深度去除废水中的COD。近年来又出现了一种新颖的Fenton试剂处理废水技术,氧化偶合混凝法。所谓氧化偶合,就是废水中的有机污染物在氧化剂的作用下发生偶合或聚合,形成分子量不太大的偶合或聚合产物,从而改变它们在水中的溶解性能及混凝沉降性能,然后通过混凝过滤去除。实验结果表明低剂量的Fenton试剂氧化偶合混凝法可有效的去除废水中的各类酚。当TOC为200mg/L,过氧化氢投加量为100mg/L时,TOC去除率在40%～70%之间。偶合反应与有机物种类关系不大,其产物是通过C-C键联接而成。

三、结论

可见,Fenton试剂作为一种强氧化剂用于处理废水中的有机污染物具有明显的优点,但制约其广泛应用的主要因素是其处理成本较高,但对于毒性大,一般氧化剂难氧化或生物难降解的有机废水,Fenton法还是一种很好的方法。

参考文献:

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