量子芬頓新工藝在廢水處理方面的應(yīng)用

0.概述 

1894年，法國人H,J,HFenton發(fā)現(xiàn)采用Fe2++H2O2體系能氧化多種有機(jī)物。后人為紀(jì)念他將亞鐵鹽和過氧化氫的組合稱為Fenton試劑，它能有效氧化去除傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)無法去除的難降解有機(jī)物，其實(shí)質(zhì)是H2O2在Fe2+的催化作用下生成具有高反應(yīng)活性的羥基自由 (•OH)。•OH可與大多數(shù)有機(jī)物作用使其降解。隨著研究的深入,又把紫外光(UV)、草酸鹽 (C2O42-)等引入Fenton試劑中,使其氧化能力大大增強(qiáng)。從廣義上說,Fenton法是利用催化劑、 或光輻射、或電化學(xué)作用，通過H2O2產(chǎn)生羥基自由基(•OH)處理有機(jī)物的技術(shù)。近年來， 越來越多的研究者把Fenton試劑同別的處理方法結(jié)合起來，如生物處理法、超聲波法、混凝法、沉淀法，活性炭法等，從發(fā)展歷程來看，Fenton法基本上是沿著光化學(xué)，電化學(xué)和其它方法聯(lián)用三條路線向前發(fā)展的。

 1. 標(biāo)準(zhǔn)Fenton法    

Fenton試劑的實(shí)質(zhì)是二價(jià)鐵離子(Fe2+)和過氧化氫之間的鏈反應(yīng)催化生成OH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， 另外, 羥基自由基具有很高的電負(fù)性或親電性 ,其電子親和能力達(dá) 569.3kJ 具有很強(qiáng)的加成反應(yīng)特性， 因而 Fenton試劑可無選擇氧化水中的大多數(shù)有機(jī)物， 特別適用于生物難降解或一般化學(xué)氧化難以湊效的有機(jī)廢水的氧化處理，Fenton試劑在處理有機(jī)廢水時(shí)會發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生鐵水絡(luò)合物,主要反應(yīng)式如下   [1]: [Fe(H2O)6]3++H2O→[Fe(H2O)5OH]2++H3O+ 

        [Fe(H2O)5OH]2++H2O→[Fe(H2O)4(OH)2]+ H3O+ 當(dāng)pH為3~7時(shí),上述絡(luò)合物變成: 

2[Fe(H2O)5OH]2+→[Fe(H2O)8(OH)2]4++2H2O 

         [Fe(H2O)8(OH)2]4++H2O→[Fe2(H2O)7(OH)3]3++H3O+ 

          [Fe2(H2O)7(OH)3]3++[Fe(H2O)5OH]2+→[Fe3(H2O)7(OH)4]5++5H2O 以上反應(yīng)方程式表達(dá)了Fenton試劑所具有的絮凝功能。Fenton試劑所具有的這種絮凝/沉淀功能是Fenton試劑降解CODcr的重要組成部分，可以看出利用Fenton試劑處理廢水所取得的處理效果，并不是單純的因?yàn)榱u基自由基的作用，這種絮凝/沉降功能同樣起到了重要的作用。普通Fenton法在黑暗中就能破壞有機(jī)物，具有設(shè)備投資省的優(yōu)點(diǎn)，但其存在兩個(gè)致命的缺點(diǎn)：一是不能充分礦化有機(jī)物，初始物質(zhì)部分轉(zhuǎn)化為某些中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)或與Fe3+形成絡(luò)合物，或與•OH的生成路線發(fā)生競爭，并可能對環(huán)境造成的更大危害；二是H2O2 的利用率不高，致使處理成本很高。  

利用Fe(Ⅲ)鹽溶液,可溶性鐵，鐵的氧化礦物(如赤鐵礦,針鐵礦等)，石墨，鐵錳的氧化礦物同樣可使H2O2催化分解產(chǎn)生•OH，達(dá)到降解有機(jī)物目的，以這類催化劑組成的Fenton體系,成為類Fenton體系，如用Fe3+代替Fe2+,由于Fe2+是即時(shí)產(chǎn)生的，減少了•OH被Fe2+還原的機(jī)會，可提高•OH的利用效率。若在Fenton體系中加入某些絡(luò)合劑(如C2O42-、EDTA 等),可增加對有機(jī)物的去除率。  Kuo W G.[2]采用Fenton試劑進(jìn)行染料的脫色處理，在PH＝3.5的條件下，使CODcr的平均去除率達(dá)到90％，脫色率達(dá)到97％，并指出溫度使控制脫色率的主要因素，升高溫度有利與脫色率的提高。熊燕萍[3]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Fenton試劑對洋茉莉醛有很好的降解作用，具有反應(yīng)快、效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，能成功地將大分子洋茉莉醛分解韋較小的烷烴分子，且在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，CODcr的去除率可以達(dá)到80％以上。

2.量子芬頓法

物理學(xué)上量子是電磁輻射最小的能量描述。量子環(huán)直接作用于水體，水體通過量子環(huán)時(shí)，量子環(huán)發(fā)射周期變化的微擾共振能量場，可以改變液體分子團(tuán)簇的能級結(jié)垢，使水體的物理性能發(fā)生改變，將原有的大分子團(tuán)變成小分子團(tuán)，因而具有更強(qiáng)的滲透力、更高的溶解能力和更強(qiáng)的活性。量子技術(shù)在廢水處理上的的作用是將難降解的大分子團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿訄F(tuán)，使其更加容易處理，水體的活性可以增強(qiáng)OH自由基的生成和氧化強(qiáng)度。我們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的芬頓反應(yīng)的活性不夠主要原因在于芬頓試劑的制備，我們將其改進(jìn)，將廢水水體的PH調(diào)節(jié)至1~2加入活性鐵球反應(yīng)可以產(chǎn)生活性更加強(qiáng)的亞鐵離子，并且我們在雙氧水中添加了穩(wěn)定劑，雙氧水的活性不會那么強(qiáng)烈，減少了分解帶來的損耗，在量子能量波的作用下，新產(chǎn)生的亞鐵離子與雙氧水結(jié)合不斷的產(chǎn)生新的OH自由基團(tuán)，不斷的對被分解為小分子的CODer進(jìn)行氧化分解，活性鐵球在酸性條件下會形成原電池微電解反應(yīng)，可以去除部分COD。相比傳統(tǒng)的芬頓反應(yīng)，新的工藝的特點(diǎn)在于：

1.       可以除去普通芬頓難降解的有機(jī)物質(zhì)，并且更加的徹底。

2.       反應(yīng)過程更加簡單，只需要補(bǔ)充酸，雙氧水和穩(wěn)定劑即可。

3.       藥劑的消耗量更加少。

4.       活性鐵球具備的微電解反應(yīng)可以去除部分COD

反應(yīng)完之后和普通的芬頓工藝一樣會具備絮凝沉降的過程，主要反應(yīng)式如下：

[1]: [Fe(H2O)6]3++H2O→[Fe(H2O)5OH]2++H3O+ 

    [Fe(H2O)5OH]2++H2O→[Fe(H2O)4(OH)2]+ H3O+ 當(dāng)pH為3~7時(shí),上述絡(luò)合物變成: 

2[Fe(H2O)5OH]2+→[Fe(H2O)8(OH)2]4++2H2O 

       [Fe(H2O)8(OH)2]4++H2O→[Fe2(H2O)7(OH)3]3++H3O+ 

                  [Fe2(H2O)7(OH)3]3++[Fe(H2O)5OH]2+→[Fe3(H2O)7(OH)4]5++5H2O以上反應(yīng)方程式表達(dá)了Fenton試劑所具有的絮凝功能。我們采用新的工藝對某農(nóng)藥廠的草甘膦甲醛廢水進(jìn)行了處理，在PH為1~2的條件下加入雙氧水和穩(wěn)定劑至PH到3.5左右停止反應(yīng)，廢水中的甲醛含量由10000ppm降至10ppm以下，甲醛的去除率達(dá)到了99.99%。而同比傳統(tǒng)的芬頓反應(yīng)不到95%的去除率取得了進(jìn)步。