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电芬顿法在废水处理的应用

北极星环保网来源:水博网2018/4/19 9:37:53我要投稿
所属行业: 水处理  关键词:废水处理 难降解废水 芬顿法

北极星环保网讯:本文通过对electro-Fenton基本原理、操作过程及影响因素的概述,旨在为从事废水处理研究的人员提供基础的理论知识,以便其更好的深入研究。

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。

但由于其在废水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-。EnricBrillas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。

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。

2.2.1pH的影响。

对于electro-Fenton反应,pH是重要的影响因素之一。构成electro-Fenton反应的方程式如式(4)所示。在pH为2.8时,从Fenton反应中产生的˙OH是最大的[5],因此,在以Fe2+为催化剂的electro-Fenton反应中,通常选择pH的条件为3。Diagne[6]等人以碳毡为阴极,通过曝O2进行氧还原反应生成H2O2与Fe3+构成electro-Fenton体系降解甲基对硫磷(MP)。实验考察了溶液pH和阴离子种类对降解效果的影响,结果表明,在pH为3时,electro-Fenton对污染物的矿化效果的是最好的,而阴离子的种类对其矿化也是有影响的,在高氯酸和硝酸介质中对污染物的降解效果优于硫酸和盐酸介质,这是由于在硫酸和盐酸介质中会形成铁的复合物,抑制的污染物的降解。

Fe2++H2O2→Fe3++˙OH+OH-(4)

Dabesgvar[7]等人也研究了电解质中阴离子的种类,对降解效果的影响。其在阴极电势为-0.5V/SCE,以石墨毡为阴极,Fe3+为催化剂,降解染料OrangeⅡ,结果表明,降解效果按ClO4-、Cl-、SO42-的顺序依次降低。他们人为这是由于Cl-和SO42-可以溶液中的铁离子形成铁的络合物,而降低了有效铁离子的浓度,此外SO42-还是˙OH的淬灭剂。

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