芬頓法處理工藝及其影響因素

1、芬頓法處理工藝及其影響因素1 處理工藝1.1 芬頓氧化法概述芬頓法的實(shí)質(zhì)是二價(jià)鐵離子(fe2+)、和雙氧水之間的鏈反應(yīng)催化生成羥基自由基，具有較強(qiáng)的氧化能力，其氧化電位僅次于氟，高達(dá) 2.80v。無機(jī)化學(xué)反應(yīng)過程是，過氧化氫(h o )與二價(jià)鐵離2 2子(fe2+)的混合溶液將很多已知的有機(jī)化合物如羧酸、醇、酯類氧化為無機(jī)態(tài)。另外, 羥基自由基 具有很高的電負(fù)性或親電性，其電子親和能高達(dá) 569.3kj 具有很強(qiáng)的加成反應(yīng)特性，因而 fenton 反應(yīng)具有去除難降解有機(jī)污染物的高能力，在印染廢水、含油廢水、含酚廢水、焦化廢水、含硝基 苯廢水、二苯胺廢水等廢水處理中體現(xiàn)了很廣泛的應(yīng)用。1.2 氧

2、化機(jī)理芬頓氧化法是在酸性條件下，h o 在 fe2+存在下生成強(qiáng)氧化能力的羥基自由基(oh)，并引發(fā)2 2更多的其他活性氧，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的降解,其氧化過程為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。其中以oh 產(chǎn)生為鏈的開始， 而其他活性氧和反應(yīng)中間體構(gòu)成了鏈的節(jié)點(diǎn)，各活性氧被消耗，反應(yīng)鏈終止。其反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜 , 這些活性氧僅供有機(jī)分子并使其礦化為 co 和 h o 等無機(jī)物。從而使 fenton 氧化法成為重要的高級(jí)2 2氧化技術(shù)之一。當(dāng)芬頓發(fā)現(xiàn)芬頓試劑時(shí)，尚不清楚過氧化氫與二價(jià)鐵離子反應(yīng)到底生成了什么氧化劑具有如此 強(qiáng)的氧化能力。二十多年后，有人假設(shè)可能反應(yīng)中產(chǎn)生了羥基自由基，否則，氧化性不會(huì)有如此強(qiáng)。 因此，以后

3、人們采用了一個(gè)較廣泛引用的化學(xué)反應(yīng)方程式來描述芬頓試劑中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)： fe2+ h o fe3+oh-+ oh 從上式可以看出，1mol 的 h o 與 1mol 的 fe2+反應(yīng)后生成 1mol 的 fe3+，2 2 2 2同時(shí)伴隨生成 1mol 的 oh-外加 1mol 的羥基自由基。正是羥基自由基的存在，使得芬頓試劑具有強(qiáng) 的氧化能力。據(jù)計(jì)算在 ph = 4 的溶液中，oh 自由基的氧化電勢(shì)高達(dá) 2.73 v。在自然界中，氧化 能力在溶液中僅次于氟氣。因此，持久性有機(jī)物，特別是通常的試劑難以氧化的芳香類化合物及一 些雜環(huán)類化合物，在芬頓試劑面前全部被無選擇氧化降解掉。1975 年,美

4、國著名環(huán)境化學(xué)家 walling c 系統(tǒng)研究了芬頓試劑中各類自由基的種類及 fe 在 fenton 試劑中扮演的角色，得出如 下化學(xué)反應(yīng)方程： h o + fe2+ fe3+ + o + 2h + o + fe2+ fe3+ + o 可以看出,芬頓2 2 2 2 2試劑中除了產(chǎn)生 1mol 的 oh自由基外,還伴隨著生成 1mol 的過氧自由基 o ,但是過氧自由基的氧2化電勢(shì)只有 1.3 v 左右，所以，在芬頓試劑中起主要氧化作用的是 oh自由基。1.3 fenton 系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)述在二沉池出水井用 fenton 供料泵送至 fenton 氧化塔，將廢水中難以降解的污染物氧化降解， fe

5、nton 氧化塔出水自流至中和池，在中和池投加液堿，將廢水中和至中性；中和池廢水自流至脫 氣池中，通過鼓風(fēng)攪拌，將廢水中的少量氣泡脫除；脫氣池出水自流至混凝反應(yīng)池中，在該池中投 加絮凝劑 pam 并進(jìn)行充分反應(yīng)，使廢水中鐵泥絮凝；混凝反應(yīng)后的廢水自流至終沉池，將其中的鐵 泥沉淀，上清液達(dá)標(biāo)排放。終沉池鐵泥由污泥泵送至原污泥處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。2 影響因素2.1 溫度溫度是芬頓反應(yīng)的重要影響因素之一。一般化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的升高會(huì)加快反應(yīng)速度，芬頓反 應(yīng)也不例外，溫度升高會(huì)加快oh 的生成速度，有助于oh 與有機(jī)物反應(yīng)，提高氧化效果和 cod 的去除率；但是，對(duì)于芬頓試劑這樣復(fù)雜的反應(yīng)體系，溫度升高

6、，不僅加速正反應(yīng)的進(jìn)行，也加速 副反應(yīng)，溫度升高也會(huì)加速 h o 的分解，分解為 o 和 h o，不利于oh 的生成。不同種類工業(yè)廢水2 2 2 2的芬頓反應(yīng)最佳溫度，也存在一定差異。處理聚丙烯酰胺水溶液處理時(shí)，最佳溫度控制在 30 50。研究洗膠廢水處理時(shí)發(fā)現(xiàn)最佳溫度為 85。處理三氯（苯）酚時(shí)，當(dāng)溫度低于 60時(shí)，溫 度有助于反應(yīng)的進(jìn)行，反之當(dāng)高于 60時(shí)，不利于反應(yīng)。2.2ph一般來說，芬頓試劑是在酸性條件下發(fā)生反應(yīng)的，在中性和堿性的環(huán)境中 fe2+不能催化氧化 h o2 2產(chǎn)生oh，而且會(huì)產(chǎn)生氫氧化鐵沉淀而失去催化能力。當(dāng)溶液中的 h+濃度過高，fe3+不能順利的被還原為 fe2+，催

7、化反應(yīng)受阻。多項(xiàng)研究結(jié)果表明芬頓試劑在酸性條件下，特別是 ph 在 35 時(shí)氧化能力很強(qiáng)，此時(shí)的有機(jī)物降解速率最快，能夠在短短幾分鐘內(nèi)降解。此時(shí)有機(jī)物的反應(yīng)速率常數(shù)正 比于 fe2+和過氧化氫的初始濃度。因此，在工程上采用芬頓工藝時(shí)，建議將廢水調(diào)節(jié)到 =24，理 論上在為 3.5 時(shí)為最佳。2.3 有機(jī)底物針對(duì)不同種類的廢水，芬頓試劑的投加量、氧化效果是不同的。這是因?yàn)椴煌愋偷膹U水，有 機(jī)物的種類是不同的。對(duì)于醇類（甘油）及糖類等碳水化合物，在羥基自由基作用下，分子發(fā)生脫 氫反應(yīng)，然后 c-c 鍵的斷鏈；對(duì)于大分子的糖類，羥基自由基使糖分子鏈中的糖苷鍵發(fā)生斷裂，降 解生成小分子物質(zhì)；對(duì)于水溶

8、性的高分子及乙烯化合物，羥基自由基使得 c=c 鍵斷裂；并且羥基自 由基可以使得芳香族化合物的開環(huán)，形成脂肪類化合物，從而消除降低該種類廢水的生物毒性，改 善其可生化性；針對(duì)染料類，羥基自由基可以打開染料中官能團(tuán)的不飽和鍵，使染料氧化分解，達(dá) 到脫色和降低 cod 的目的。用芬頓試劑降解殼聚糖的實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)介質(zhì) ph 值 35，聚糖、 h o 及催2 2化劑的摩爾比在 240:1224:12 時(shí)，芬頓反應(yīng)可以使殼聚糖分子鏈中的糖苷鍵發(fā)生斷裂，從而生成 小分子的產(chǎn)物。2.4 過氧化氫與催化劑投加量芬頓工藝在處理廢水時(shí)需要判斷藥劑投加量及經(jīng)濟(jì)性。h o 的投加量大， 廢水 cod 的去除率2 2會(huì)有所提高，但是當(dāng) h o 投加量增加到一定程度后， cod 的去除率會(huì)慢慢下降。因?yàn)樵诜翌D反應(yīng)2 2中 h o 投加量增加，oh 的產(chǎn)量會(huì)增加，則 cod 的去除率會(huì)升高，但是當(dāng) h o 的濃度過高時(shí)，雙氧 2 2 2 2水會(huì)發(fā)生分解，并不產(chǎn)生羥基自由基。催化劑的投加量也有與雙氧水投加量相同的情況，一般情況下，增加 fe2+的用