测·控领域专业互动媒体平台
推动测试测量,检测诊断,传感物联,遥测自控智能化发展
当前位置:CK365中国测控网 > 技术中心 > 典型应用 >

电芬顿法在废水处理的应用

2017-05-18 11:17:48

[导读] 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。

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-。Enric Brillas 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。

 

blob.png

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。

2.2.1 pH 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Orange Ⅱ,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。

2.2.2阴极材料的影响

溶液中溶解氧和空气在适当阴极材料上发生的两电子两还原反应,使得电生成H2O2 可以应用于污水处理。目前发现的可用于阴极的材料有汞电极、石墨电极、气体扩散电极和三维电极。所谓三维电极是指相对于体积具有很大的表面积的电极,像是碳毡、活性炭纤维(ACF)、网状玻璃碳(RVC)、碳海绵和碳纳米管等。

由于汞电极具有毒性,因此现在很少应用。对于碳电极来说,其是无毒的,而且对于析氢反应的过电势较高,对于H2O2 的降解有低的催化活性,此外其具有较好的稳定性、导电性[1],因此被广泛研究。但是,氧气在溶液中的溶解度是很低的,因此气体扩散电极和三维电极逐渐发展起来。

气体扩散电极(GDE)具有细小的多孔结构,这些结构有利于溶液中的溶解氧渗滤到电极内部。这些电极拥有大量的表面活性电位,有利于O2 快速还原和H2O2 的累积。刘栓等[8]以石墨烯与聚四氟乙烯混合压片制成的石墨烯电极为阴极,在pH 为3 时降解罗丹明B(RhB)和2,4- 二氯苯酚。结果表明,石墨烯气体扩散电极电极相对于石墨扩散电极具有更好的降解效果。Marco PaNIzza[9]等人应用购买的气体扩散电极降解茜素红溶液,考察了Fe2+、应用电流、溶液pH 和温度对其降解的影响,并分析了降解的机理。

相对于二维电极,三维电极可以缩短反应时间和提高反应速率。三维电极的制备一般是采用流动床、固定床或是多孔材料实现的,其中多孔材料被广泛的应用于废水的处理。Li [10] 等人将Fe@Fe2O3 负载于ACF 上制备成阴极降解罗丹明B(RhB),考察了降解效果随pH 和阴极电势的影响。

2.2.3催化剂的影响

根据催化剂的状态不同可electro- Fenton 法分为均相electro-Fenton 和异相electro- Fenton。均相electro- Fenton 是指反应的催化剂与溶液是均一的,即所用的催化剂是液态的,而异相electro-Fenton 是指反应的催化剂与溶液不是均一,即所用的催化剂为固体。

均相electro- Fenton 的研究发展较早,研究较多,体系较成熟。但均相electro- Fenton 存在一定的缺陷,包括反应条件苛刻(pH=3),随着反应的进行会形成铁催化剂会发生络合而失活,影响反应的效果。因此异相electro- Fenton 发展起来,其克服了均相electro- Fenton反应条件苛刻,催化剂络合失活和稳定性差的缺点,因此被广泛研究和应用。Xu[11]等人研究了用零价铁纳米颗粒作为催化剂降解4-氯- 3- 甲基苯酚(CMP),在降解过程中考察了pH、CMP 初始浓度、零价铁用量和H2O2 浓度对其降解效果的影响情况,结果表明,在0.5g零价铁催化剂和3.0mM H2O2 条件下,降解的最优条件为pH为6.1,CMP 初始浓度为0.7mM。这表明在偏中性的条件下,异相催化剂仍有很高的催化降解效果,说明异相electro- Fenton 可应用较宽的pH 范围内。

除了Fe2+/Fe3+ 外,其他金属也可电催化产生·OH。Zhang[12]等人应用蒽醌磺酸盐/ 聚吡咯制备的阴极和CuO/Al2O3 构建异相electro-Fenton 降解偶氮染料。结果表明该体系最优条件为溶液pH 为4.3,阴极电势为- 0.4V,氧气量为0.4ml/min,CuO 负载量为5.78wt%,反应温度为70℃,CuO 煅烧温度为450℃时,降解效果最好。该文章为其他金属催化剂催化污染物的降解提供了依据。此外,二元或多元金属催化剂也被广泛关注。Xia[13]等人采用共沉淀法制备了Fe- Cu 二元金属氧化物负载的Al-MCM- 41 催化剂,用于苯酚的矿化研究。该研究确定了反应的最佳条件,并指出Cu 在降解过程中起到维持在高pH 范围内催化剂活性的作用,而Al 为活性金属中心提供了电子,增加了电子密度,使催化剂表面处于H+ 区域适于·OH的生成。污水

2.2.4其他因素的影响

除了上述因素外,影响electro- Fenton 处理污水效果的因素还包括,O2 的曝气量、搅动的速率、反应温度、电解质的组成、应用电势和电流和污染物的初始浓度等。

3、 展望

在处理难降解的废水中,electro- Fenton 法起到了很重要的作用。这是由于它能产生高效的,无选择性的强氧化剂·OH。随着对其的不断深入研究,electro- Fenton 法也在不断的发展,从对环境污染的Hg 阴极到环境友好且高效的GDE 和三维电极,从不分隔电解池到分隔电解池,从回收困难的均相催化剂到易回收的异相催化剂等等。

在未来electro- Fenton 仍有需要不断完善的技术方向:①异相electro- Fenton 的不断发展。相对于均相electro- Fenton,异相electro-Fenton 在保持处理效率相同或是更高的情况下,克服了均相的缺点,在今后的研究中应继续提升异相electro- Fenton 在实际中的应用。②其他金属催化剂的使用。其他金属的加入,可优化electro-Fenton 的反应条件,进一步提高反应效率。且在二元或是多元金属氧化物的合成中,各个金属间会产生协同作用,应继续研究它们之间的作用机理。③与其他技术的联合应用。目前有很多技术与electro- Fenton 相结合,像是光电Fenton、超声电Fenton、电化学过氧化技术、生物电化学过氧化技术等等。

[整理编辑:中国测控网]
标签:  电芬顿法[1]    废水处理[0]    环境保护[0]
 
[ 技术中心搜索 ]  [ ]  [ 好友分享 ]  [ 打印本文 ]  [ 关闭窗口 ]  [ 返回顶部 ]

版权与免责声明:

①凡本网注明"来源:中国测控网"的所有作品,版权均属于中国测控网,转载请必须注明中国测控网 www.ck365.cn。违反者本网将追究相关法律责任。
②本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。
③如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

注册成为中国测控网会员

可以无需任何费用浏览专业技术文章

 
 
注册中国测控网会员以便浏览全文