關于Fenton試劑在有機廢水處理中的研究
關鍵詞：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展，簡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, 化學家Fenton首次發現有機物在(H2O2)與Fe2+組成的混合溶液中能被迅速氧化，并把這種體系稱為標準Fenton試劑，可以將當時很多已知的有機化合物如羧酸、醇、酯類氧化為無機態，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是酸性條件下發生作用的,在中性和堿性環境中, Fe2+不能催化H2O2產生OH·。按照經典的Fenton試劑反應理論,pH值升高不僅抑制了OH·的產生, 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值過低時, 溶液中的H+濃度過高, 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濟性主要取決于H2O2的投加量。一般地,隨著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, Fe2+的濃度增加, 單位量H2O2產生的OH·增加, 所產生的OH·全部參與了與有機物的反應;當Fe2+的濃度過高時,部分H2O2發生無效分解,釋放出O2。
2.4 反應溫度
對于一般的化學反應，隨著反應溫度的升高，反應物分子平均動能增大，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；當溫度過高時，會促使H2O2分解為O2和H2O，不利于OH·的生成，反而會降低廢水COD的去除率。
3. Fenton試劑與其他方法的聯用
為進一步提高對有機物的去除效果，以標準Fenton試劑為基礎，通過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、可見光)時,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,其優點在于降低了Fe2+用量,提高了H2O2的利用率。這是由于Fe3+和紫外線對H2O2的催化分解存在協同效應。該法存在的主要問題是太陽能利用率仍然不高,能耗較大,處理設備費用較高。
3.1.2 UV-vis草酸鐵絡合物H2O2法
當有機物濃度高時,被Fe3+絡合物所吸收的光量子數很少,且需較長的輻照時間, 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體系中引入光化學活性較高的物質(如含Fe3+的草酸鹽和檸檬酸鹽絡合物)時,可有效提高對紫外線和可見光的利用效果。
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產生H2O2機制不完善的缺點。電Fenton法利用電化學法產生的H2O2和Fe2+作為Fenton試劑的持續來源, 與光Fenton法相比具有以下優點:一是自動產生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, 還有陽極氧化、電吸附等) 。由于H2O2的成本遠高于Fe2+, 所以通過電化學法將自動產生H2O2的機制引入Fenton體系具有很大的實際應用意義, 可以說電Fenton法是Fenton法發展的一個方向。
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可以取得良好的處理效果。
4. 結語
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點，對于治理我國日益嚴重的環境污染問題，特別是難降解有毒有機污染物的治理有著十分重要的理論意義和應用價值。
參考文獻
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[2] 高迎新, 楊敏, 王東升, 等． Fenton反應中水解Fe(Ⅲ)的形態分布特征研究[J]. 環境科學學報，2002，22(5)：551-556．
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[4] 劉文輝, 劉增超, 趙曉光. UV-vis/草酸鐵絡合物/H2O2法處理垃圾滲濾液的研究[J]. 工業安全與環保，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展[J]. 上海環境科學，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]. 蘭州鐵道學院學報(自然科學版)，2001，20 (6)：68-71．
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