量子芬頓新工藝在廢水處理方面的應用

0.概述 

1894年，法國人H,J,HFenton發現采用Fe2++H2O2體系能氧化多種有機物。后人為紀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廢水處理技術無法去除的難降解有機物，其實質是H2O2在Fe2+的催化作用下生成具有高反應活性的羥基自由 (•OH)。•OH可與大多數有機物作用使其降解。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。從廣義上說,Fenton法是利用催化劑、 或光輻射、或電化學作用，通過H2O2產生羥基自由基(•OH)處理有機物的技術。近年來， 越來越多的研究者把Fenton試劑同別的處理方法結合起來，如生物處理法、超聲波法、混凝法、沉淀法，活性炭法等，從發展歷程來看，Fenton法基本上是沿著光化學，電化學和其它方法聯用三條路線向前發展的。

 1. 標準Fenton法    

Fenton試劑的實質是二價鐵離子(Fe2+)和過氧化氫之間的鏈反應催化生成OH自由基，具有較強的氧化能力，其氧化電位僅次于氟，高達2.80V， 另外, 羥基自由基具有很高的電負性或親電性 ,其電子親和能力達 569.3kJ 具有很強的加成反應特性， 因而 Fenton試劑可無選擇氧化水中的大多數有機物， 特別適用于生物難降解或一般化學氧化難以湊效的有機廢水的氧化處理，Fenton試劑在處理有機廢水時會發生反應產生鐵水絡合物,主要反應式如下   [1]: [Fe(H2O)6]3++H2O→[Fe(H2O)5OH]2++H3O+ 

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

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 以上反應方程式表達了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，并不是單純的因為羥基自由基的作用，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物，具有設備投資省的優點，但其存在兩個致命的缺點：一是不能充分礦化有機物，初始物質部分轉化為某些中間產物，這些中間產或與Fe3+形成絡合物，或與•OH的生成路線發生競爭，并可能對環境造成的更大危害；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催化分解產生•OH，達到降解有機物目的，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+是即時產生的，減少了•OH被Fe2+還原的機會，可提高•OH的利用效率。若在Fenton體系中加入某些絡合劑(如C2O42-、EDTA 等),可增加對有機物的去除率。  Kuo W G.[2]采用Fenton試劑進行染料的脫色處理，在PH＝3.5的條件下，使CODcr的平均去除率達到90％，脫色率達到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]經過實驗發現，Fenton試劑對洋茉莉醛有很好的降解作用，具有反應快、效果明顯的優點，能成功地將大分子洋茉莉醛分解韋較小的烷烴分子，且在最佳實驗條件下，CODcr的去除率可以達到80％以上。

2.量子芬頓法

物理學上量子是電磁輻射最小的能量描述。量子環直接作用于水體，水體通過量子環時，量子環發射周期變化的微擾共振能量場，可以改變液體分子團簇的能級結垢，使水體的物理性能發生改變，將原有的大分子團變成小分子團，因而具有更強的滲透力、更高的溶解能力和更強的活性。量子技術在廢水處理上的的作用是將難降解的大分子團轉變為小分子團，使其更加容易處理，水體的活性可以增強OH自由基的生成和氧化強度。我們經過研究發現，傳統的芬頓反應的活性不夠主要原因在于芬頓試劑的制備，我們將其改進，將廢水水體的PH調節至1~2加入活性鐵球反應可以產生活性更加強的亞鐵離子，并且我們在雙氧水中添加了穩定劑，雙氧水的活性不會那么強烈，減少了分解帶來的損耗，在量子能量波的作用下，新產生的亞鐵離子與雙氧水結合不斷的產生新的OH自由基團，不斷的對被分解為小分子的CODer進行氧化分解，活性鐵球在酸性條件下會形成原電池微電解反應，可以去除部分COD。相比傳統的芬頓反應，新的工藝的特點在于：

1.       可以除去普通芬頓難降解的有機物質，并且更加的徹底。

2.       反應過程更加簡單，只需要補充酸，雙氧水和穩定劑即可。

3.       藥劑的消耗量更加少。

4.       活性鐵球具備的微電解反應可以去除部分COD

反應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pH為3~7時,上述絡合物變成: 

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以上反應方程式表達了Fenton試劑所具有的絮凝功能。我們采用新的工藝對某農藥廠的草甘膦甲醛廢水進行了處理，在PH為1~2的條件下加入雙氧水和穩定劑至PH到3.5左右停止反應，廢水中的甲醛含量由10000ppm降至10ppm以下，甲醛的去除率達到了99.99%。而同比傳統的芬頓反應不到95%的去除率取得了進步。