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遇水還清 潔善自然
| 高級氧化技術(shù)—催化氧化（芬頓氧化）反應(yīng)在高濃度廢水處理中的應(yīng)用 |
1、高級氧化技術(shù)
高級氧化技術(shù)(AdvancedOxidationProcesses)定義為可產(chǎn)生大量的?OH自由基過程，利用高活性自由基進攻大分子有機物并與之反應(yīng)，從而破壞油劑分子結(jié)構(gòu)達到氧化去除有機物的目的，實現(xiàn)高效的氧化處理。
Fenton法處理含有羥基有機化合物的廢水時存在明顯的選擇性。羥基取代基類型、羥基數(shù)量、羥基取代位置、主鏈鏈長及主鏈的飽和度對Fenton法處理效果均存在不同程度的影響。實驗結(jié)果表明:一元酚羥基對Fenton反應(yīng)有著促進作用,而一元醇羥基對其有強烈的抑制作用;當(dāng)碳原子數(shù)相同而羥基數(shù)不同時,隨羥基數(shù)量的增加其對Fenton反應(yīng)的影響逐漸下降;飽和一元醇主鏈碳原子個數(shù)越多,則其對Fenton反應(yīng)的抑制作用越明顯;主鏈的不飽和度對Fenton反應(yīng)的影響也是不同的,脂肪族不飽和羥基化合物的Fenton法處理效果很差,而對苯環(huán)類羥基化合物有著很好的氧化處理效果;鏈長與醇羥基個數(shù)都不同時,隨主鏈的增長和羥基數(shù)量的增加,其對Fenton反應(yīng)的抑制作用隨之下降,表現(xiàn)出良好的氧化降解效果。不同體系中的羥基自由基產(chǎn)生量可用來直接判斷底物對芬頓試劑的抑制效應(yīng)及抑制程度。脈沖式加溫對室溫下芬頓試劑的氧化效果有著促進作用,且加熱頻率越大,效果越明顯。
2、芬頓試劑機理研究
當(dāng)Fenton發(fā)現(xiàn)芬頓試劑時，尚不清楚過氧化氫與二價鐵離子反應(yīng)到底生成了什么氧化劑具有如此強的氧化能力。20多年后，有人假設(shè)可能反應(yīng)中產(chǎn)生了經(jīng)基自由基，由于H2O:在催化劑Fe3+(Fe2+)的存在下，能高效率地分解生成具有強氧化能力和高電負性或親電子性(電子親和能力569.3KJ的經(jīng)基自由基(?OH),?OH可以氧化降解水體中的有機污染物，使其最終礦化為C02,H20及無機鹽類等小分子物質(zhì)。據(jù)計算在pH=4的溶液中，-OH的氧化電位高達2.73V，其氧化能力在溶液中僅次于氫氟酸。因此，通常的試劑難以氧化持久性有機物，特別是芳香類化合物及一些雜環(huán)類化合物，芬頓試劑對其中的絕大部分都可以無選擇地氧化降解。
2.1Fenton試劑產(chǎn)生強氧化能力的反應(yīng)機理研究
有關(guān)芬頓試劑的反應(yīng)機理，一種研究認為是無機物之間的反應(yīng)，像Fe2+,Fe3+,H202,?OH,HO2?和02-?，這是一般的芬頓反應(yīng)體系中都存在的。這部分反應(yīng)的機理研究主要通過化學(xué)捕獲劑和先進的分析儀器來完成，研究主要集中在是產(chǎn)生以9基自由基或烷氧自由基為主的氧化物種，還是產(chǎn)生以鐵為中心的高價瞬態(tài)氧化物種。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，毗咤可以作為自由基的捕獲劑用于捕獲102?自由基。而同時，-OH自由基的競爭反應(yīng)不影響到對HO2?自由基的捕獲。依據(jù)此種發(fā)現(xiàn)，研究人員提出了高能的自由基和氧化劑的產(chǎn)生機理，這也是芬頓反應(yīng)比較成熟的機理論斷。然而直到現(xiàn)在，對鐵氧化后在反應(yīng)中存在的形態(tài)等方面還有很多問題需要研究。針對這一現(xiàn)象，一些學(xué)者提出了許多中間過程，歸納起來主要有幾種:pH值在2.5一4.5之間時，低濃度的Fe2+主要以Fe(OH)(H20)52+的形式存在，這個反應(yīng)的發(fā)生是H2O2在Fe2+的第一個配位體上發(fā)生了配位交換，隨后發(fā)生了體內(nèi)二電子的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成F4+的復(fù)合物。Fe(oH)3(H2O)4+中間體繼續(xù)反應(yīng)并產(chǎn)生?OH，F(xiàn)e(oH)(H2O)52+繼續(xù)與H2O2:發(fā)生反應(yīng)，使Fe2+得以循環(huán)。
2.2Fenton試劑在有機物中的反應(yīng)機理研究
近年來，人們致力于研究芬頓試劑與有機物及其中間產(chǎn)物之間的反應(yīng)規(guī)律;研究芬頓試劑對不同有機物的動力學(xué)，并建立了不同的動力學(xué)模型，這種研究指導(dǎo)了Fenion試劑的工業(yè)化應(yīng)用。
探討對芬頓試劑氧化氯酚的反應(yīng)特征，主要研究pH、H202、Fe2+對反應(yīng)的影響。在研究中發(fā)現(xiàn)，如果酸性太強，溶液中的H+濃度過高，過氧化氫以H3o2+穩(wěn)定存在，而且有機物在強酸性環(huán)境中不易分解，F(xiàn)e3+不能被順利地還原成Fe2+，催化反應(yīng)受阻。實驗證明，反應(yīng)受到自由Fe2+濃度的影響，F(xiàn)e2+是產(chǎn)生?OH的關(guān)鍵因素。被芬頓試劑分解的小分子有機物，有一部分會加速分解，而另外一部分會和Fe2+形成穩(wěn)定的化合物，很難被進一步降解，只要有H必:存在，有機物的降解反應(yīng)便會繼續(xù)下去。由實驗結(jié)果得出pH=2-4時，有機物的降解速率發(fā)生在短短的幾分鐘之內(nèi)，這個降解速率相對于氯酚濃度來說是一級反應(yīng)，它的反應(yīng)速率常數(shù)正比于Fe2+和過氧化氫的初始濃度。實驗發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)受到中間有機產(chǎn)物的影響極大，因此動力學(xué)的研究應(yīng)該考慮中間產(chǎn)物的影響。李玉明等對間硝基苯胺的動力學(xué)進行了研究，分別考察了H202濃度、Fe2+濃度、pH值、溫度隨時間的變化。該研究用一元線性回歸的方法，對不同氧化降解時間后間硝基苯胺的殘余濃度對反應(yīng)時間的相關(guān)性進行了定量分析，發(fā)現(xiàn)間硝基苯胺的氧化降解符合一級動力學(xué)的模式，得到了該反應(yīng)的表觀速率常數(shù)和活化能。利用紫外光譜對機理研究發(fā)現(xiàn)，間硝基苯胺催化氧化過程中的主要中間產(chǎn)物應(yīng)為戊烯二酸。由于經(jīng)基自由基與間硝基苯胺的反應(yīng)速率常數(shù)大于有機酸的反應(yīng)速率常數(shù)10]，根據(jù)化學(xué)動力學(xué)理論，在芬頓試劑催化降解反應(yīng)中，當(dāng)所投加的芬頓試劑劑量不足以完全氧化間硝基苯胺時，間硝基苯胺可被優(yōu)先氧化降解去除，使降解反應(yīng)終止于產(chǎn)酸階段。因此，在實際的難降解工業(yè)廢水處理中，可以根據(jù)需要用芬頓試劑氧化法作為間硝基苯胺等難降解廢水的預(yù)處理方法，為后續(xù)的生化處理提供良好的反應(yīng)條件。但是，當(dāng)芬頓試劑投加量較大時，可以對中間產(chǎn)物有機酸進一步降解，生成小分子化合物，直至降解為二氧化碳和水。對芬頓試劑與有機物反應(yīng)的動力學(xué)進行研究可以了解有機物在芬頓試劑中的反應(yīng)進程，尋找合適的反應(yīng)停留時間和反應(yīng)的級數(shù)和速率常數(shù)，從而為大型工業(yè)化有機廢水處理反應(yīng)器的設(shè)計提供堅實的理論依據(jù)。
3、催化氧化（芬頓氧化）反應(yīng)在高濃度廢水處理中的研究
Fenton試劑具有很強的氧化性，而且其氧化性沒有選擇性，能適應(yīng)各種廢水的處理。
3.1處理氰化物
氰化物是劇毒性的物質(zhì)，在廢水的排放中都要嚴格控制氰化物的含量。
芬頓試劑可有效地處理氰化物，處理過程中，游離的氰化物分兩步被分解。
俄羅斯學(xué)者研究了采用Fenton試劑處理含有氰化物和硫氰化物的廢水（質(zhì)量濃度均為1000mg/L)，前者氧化率為99.8%，后者氧化率為84.0%。
3.2處理酚類
酚類物質(zhì)有較高的毒性，對人體有致癌作用，屬于難降解的工業(yè)有機廢水。芬頓試劑可用于處理苯酚、甲酚、氯代酚等多種酚類，效果均極好。在室溫、pH=3-6和FeS04催化劑存在的情況下，H202可快速破壞酚結(jié)構(gòu)，氧化過程中先將苯環(huán)分裂為二元酸，最后生成CO2和H2O。
研究用芬頓試劑氧化法處理對氨基酚(PAP)，探討了影響處理結(jié)果的因素。在選定的條件下，PAP去除率為96%-98%，廢水色度明顯變淺，降低了廢水的生物毒害性，改善了廢水的生物降解性能。除了可以直接降解氯酚類物質(zhì)外，還可以用芬頓試劑氧化作為生物處理技術(shù)的前處理過程，使廢水的毒性降低，可生化性提高。在用芬頓試劑和生物法聯(lián)合處理含有五氯酚的廢水時，集瑞環(huán)保實驗人員觀察到在預(yù)處理中采用芬頓試劑與只采用H202相比，在后續(xù)的生物處理過程中五氯酚的吸收速率顯著提高。
3.3處理染料廢水
紡織印染廢水的組成非常復(fù)雜，多數(shù)分子是以苯環(huán)為核心的稠環(huán)、雜環(huán)結(jié)構(gòu)，屬于高度穩(wěn)定且有高致癌性的廢水，它難以降解，并含有大量殘余的染料和助劑。目前染料廢水主要問題是殘余染料所產(chǎn)生的色度。染料廢水中顏色來源于染料分子的共扼體系，芬頓試劑在酸性條件下生成HO?能夠氧化打破這種共扼結(jié)構(gòu)，使之變成無色的有機分子進一步礦化。采用芬頓氧化法對染料廢水進行處理具有高效低耗、無二次污染的優(yōu)勢。集瑞環(huán)保實驗人員研究用芬頓試劑降解直接染料，發(fā)現(xiàn)染料分解是由2步反應(yīng)進行的，第一步反應(yīng)很快，第二步反應(yīng)較慢，在優(yōu)化反應(yīng)條件下，30℃和30min內(nèi)，染料97%可被降解，60min后COD可去除70%。
3.4處理染料中間體或染料助劑廢水
染料中間體廢水中常含有大量的蒽醌、萘、苯的各種取代基衍生物，具有COD高、色度高等特點，是目前較難處理的工業(yè)廢水之一。用芬頓試劑處理此類廢水的集瑞環(huán)保實驗人員研究也在陸續(xù)開展，并取得良好效果。
研究用芬頓試劑處理B一萘磺酸鈉。先用Fecl3,進行混凝處理，后用芬頓試劑氧化。在適宜的條件下，廢水的COD和色度去除率分別達到99.6%和95.3%，處理后廢水可達到排放標準。
3.5處理農(nóng)藥（草甘膦）廢水
農(nóng)藥廢水是一種難治理的有機化工廢水，具有COD高、毒性大、難生物降解等特點。近來針對這點，出現(xiàn)了一些用Fenton法進行處理的研究。
集瑞環(huán)保實驗人員研究用芬頓法與光芬頓法降解2,4-二氯苯氧乙烯(2,4-D)，探索了反應(yīng)條件對降解效果的影響。在2,4-D質(zhì)量濃度為200mg/I,H202質(zhì)量濃度為200mg/L,Fe2+質(zhì)量濃度為40200mg/L,pH為3.5的情況下，可在10min內(nèi)使農(nóng)藥的降解率達到85%,TOC去除率也可達到80%以上。
3.6處理焦化廢水
煉焦廢水含有數(shù)十種無機和有機化合物，包括氨氮、硫氰化物、硫化物、氰化物、酚、苯胺、苯并比等，其中一些是高致癌物，屬于高污染難治理的工業(yè)廢水。
實驗人員研究了用芬頓法處理焦化廢水。探討了影響COD去除率的因素，確定了適宜的操作條件。在此條件下，焦化廢水COD去除率達88.9%.H202如分3批加人(總量不變)，COD去除率可提高至92%。
實驗人員研究了芬頓氧化/混凝協(xié)同處理焦化廢水經(jīng)生物處理后的出水。結(jié)果表明，經(jīng)此處理后，出水可達國家二級排放標準。如后續(xù)再經(jīng)生物處理，最后出水將可穩(wěn)定地達到國家一級排放標準。研究試驗中，還通過分析相對分子質(zhì)量分布和小分子有機物組成，揭示了焦化廢水生物處理后出水的物質(zhì)組成及其在芬頓氧化/混凝協(xié)同處理后的污染物變化規(guī)律。
3.7處理垃圾滲濾液
城市垃圾滲濾液是一種組成成分復(fù)雜的污水，將會污染地下水，對城市環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。由于其含有多種有毒有害的難降解有機物，不易用傳統(tǒng)的生化法來處理。不同的填埋場的垃圾滲濾液的組成、濃度不同。因此，對垃圾滲濾液的處理效率，集瑞環(huán)保實驗人員研究主要是從降低COD和去除的混合物中有機物分子量來考察。
垃圾滲透液中的應(yīng)用，進行了用芬頓法處理垃圾滲濾液的中型試驗，反應(yīng)在連續(xù)的攪拌發(fā)生器中進行，當(dāng)試劑加入量適當(dāng)時，COD的去除率可達67.5%，從而提高了可生化性，有利于進一步的處理。
由以上對各種廢水的研究可知用芬頓試劑處理廢水的特點，一是反應(yīng)啟動快，反應(yīng)在酸性的環(huán)境中，常溫常壓，條件溫和；二是不需要設(shè)計復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)備簡單、能耗小。集瑞環(huán)保實驗人員認為芬頓試劑氧化性強，反應(yīng)過程中可以將污染物徹底地?zé)o害化，而且氧化劑H2O:參加反應(yīng)后的剩余物可以自行分解掉，不留殘余，同時也是良好的絮凝劑，效果好。
Fenton試劑在處理各種廢水的時候，其反應(yīng)條件差別不大，這就方便了Fenton試劑的工業(yè)化應(yīng)用。
4、結(jié)論
催化氧化Fenton反應(yīng)是當(dāng)今最重要的AOP之一，催化氧化Fenton反應(yīng)在有毒有機污染物處理中有較好的降解效率及較大的應(yīng)用范圍，不管是在實驗室研究還是在實際的工業(yè)運用中，都有良好的效果?，F(xiàn)在國內(nèi)的大型的化工園區(qū)，提倡循環(huán)經(jīng)濟的模式，采用單一的污水處理廠來處理該區(qū)內(nèi)所有的有毒廢水，希望能達到廢水回用的目的。但是依靠單一的生化處理模式處理如此復(fù)雜的廢水，并不能達到很好的效果，F(xiàn)enton反應(yīng)作為一種非常有效的廢水預(yù)處理手段，既可以在廢水處理的中段提高廢水的可生化性，又可以在處理系統(tǒng)的末端進行深度處理，再配合其他處理技術(shù)以達到中水回用，可以實現(xiàn)循環(huán)利用的目標。
建議采用：復(fù)合生化1—催化氧化-微電解-復(fù)合生化2-復(fù)合生化3處理達標回用，此工藝特點，運行費用低，處理成本節(jié)省等優(yōu)點。 |
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