电芬顿法在废水处理的应用

论恒
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1、 概述

目前应用于处理环境废水的方法是传统的处理方法,包括物理处理方法和化学处理方法。然而这些方法对于有毒性的、难降解污染物的处理效果是不明显的,像是丝制品、喷涂过程、印染业和食品工艺中大量使用的合成染料。而且在使用过程中,这些有毒的染料,在氧化、羟基化或是其他化学反应作用下,还会形成一些副产物,也对生态和人类的健康造成了威胁。

随着高级氧化技术(AOPs)的不断发展,其在难降解污染物的处理上发挥了重要的作用。它是利用活性极强的自由基氧化分解水中的有机污染物,像·OH 具有很高的氧化能力,降解氧化水中的污染物,使其转化为CO2 和H2O。Fenton 法就是高级氧化技术的一种,它是利用Fe2+ 和H2O2 反应,生成强氧化性的·OH,由于·OH 具有很高的氧化电位和无选择性,因此其可以降解氧化多种有机污染物。但由于其在处理过程中需要大量的试剂量,像是H2O2,其制备、运输和储藏等花费较高。而electro- Fenton 相对降低了这部分花费,它可以通过在适合的阴极附近曝气(氧气或空气),利用电化学持续的产生H2O2。

本文通过对electro- Fenton 基本原理、操作过程及影响因素的概述,旨在为从事此项研究的人员提供基础的理论知识,以便其更好的深入研究。

2、电芬顿法处理废水

2.1 基本原理

基于传统Fenton 试剂的作用机理,electro- Fenton 也是由H2O2和Fe2+ 反应产生强氧化性的·OH。其中H2O2 的电化学产生是通过在阴极充氧或曝气的条件下,发生氧气的还原生成的,而Fe2+ 也可以通过阴极的还原反应得到。

在酸性条件下,通过充氧或曝气的方法,氧气在阴极会发生2e还原反应,如式(1)所示,产生H2O2。在此过程中,氧气首先溶解在溶液中,然后在溶液中迁移到阴极表面,在那还原成H2O2[1]。而在碱性溶液中,氧气发生反应如式(2)所示,生成HO2-。Agladze[2]等通过检测气体扩散电极孔中碱性介质,认为氧气还原反应总是通过途径(2)产生HO2- 和OH-。Enric Brillas 等在此基础上,提出在酸性介质下,HO2- 的质子化生成了H2O2。当然H2O2 的产生和稳定性也受到其他因素的影响,包括电解池的构造、阴极性质和操作条件等。

O2+2H++2e→H2O2(1)

O2+H2O+2e→HO2-+OH-(2)

在electro- Fenton 中,溶液中的Fe3+ 可通过反应(3)在阴极还原成Fe2+。图1 说明了在设想的催化循环中,EF 处理的有机污染物结构图[1]。Qiang[3]等指出Fe2+ 再生将受到电极电势和面积、PH、温度和催化剂量的影响。Oturan[4]等通过分别用0.2mm的Fe2+ 和Fe3+ 作催化剂,在Pt/ 碳毡作电极,60mA 的不分离电解池条件下降级孔雀绿,结果表明二者具有相同的降解速率。这说明在三维碳制材料下,Fe2+ 和Fe3+ 均可作为催化剂的来源。

Fe3++e→Fe2+ (3)

Electro- Fenton 有其自身的优势[1]:电化学产生H2O2,可避免其在运输、储存和操作的危险;控制降解速率实现机理研究的可能性;由于阴极持续的Fe2+ 再生提高了有机污染物的降解速率,这也减小了污泥;在最佳条件下,可实现低花费小的全部矿化的可行性。

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2.2 影响因素

Electro- Fenton 能产生无选择的强氧化性的·OH,可降解难处理的污染物,包括农药污染物、染料溶液、药物和个人护理品(PPCPs)和工业污染物,例如苯胺和酚类等。而不断优化Electro- Fenton 的反应条件,可增强其处理效果。其主要的影响因素包括:pH、阴极电极材料、催化剂的状态等。

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