万博在线登录注册 電芬頓法在万博在线登录注册處理的應用

2021-06-28  來自: 万博在线登录注册 瀏覽次數:96

本文通過對electro- Fenton 基本原理、操作過程及影響因素的概述,旨在為從事廢 水處理 研究的人員提供基礎的理論知識,以便其更好的深入研究。

1、概述

目前應用于處理環境 万博在线登录注册 的方法是傳統的處理方法,包括物理處理方法和化學處理方法。然而這些方法對于有毒性的、難降解污染物的處理效果是不明顯的,像是絲制品、噴涂過程、印染業和食品 工藝 中大量使用的合成染料。而且在使用過程中,這些有毒的染料,在 氧化 、羥基化或是其他化學反應作用下,還會形成一些副產物,也對生態和人類的健康造成了威脅。

隨著***氧化技術(AOPs)的不斷發展,其在難降解污染物的處理上發揮了重要的作用。它是利用活性極強的自由基氧化分解水中的有機污染物,像˙OH具有很高的氧化能力,降解氧化水中的污染物,使其轉化為CO2和H2O。Fenton法就是***氧化技術的一種,它是利用Fe2+和H2O2反應,生成強氧化性的˙OH,由于˙OH具有很高的氧化電位和無選擇性,因此其可以降解氧化多種有機污染物。

但由于其在万博在线登录注册處理過程中需要大量的試劑量,像是H2O2,其制備、運輸和儲藏等花費較高。而electro-Fenton相對降低了這部分花費,它可以通過在適合的陰極附近曝氣(氧氣或空氣),利用電化學持續的產生H2O2。

本文通過對electro-Fenton基本原理、操作過程及影響因素的概述,旨在為從事此項研究的人員提供基礎的理論知識,以便其更好的深入研究。

2、電 芬頓 法處理万博在线登录注册

2.1基本原理

基于傳統Fenton試劑的作用機理,electro-Fenton也是由H2O2和Fe2+反應產生強氧化性的˙OH。其中H2O2的電化學產生是通過在陰極充氧或曝氣的條件下,發生氧氣的還原生成的,而Fe2+也可以通過陰極的還原反應得到。

在酸性條件下,通過充氧或曝氣的方法,氧氣在陰極會發生2e還原反應,如式(1)所示,產生H2O2。在此過程中,氧氣首先溶解在溶液中,然后在溶液中遷移到陰極表面,在那還原成H2O2[1]。而在堿性溶液中,氧氣發生反應如式(2)所示,生成HO2-。Agladze[2]等通過檢測氣體擴散電極孔中堿性介質,認為氧氣還原反應總是通過途徑(2)產生HO2-和OH-。EnricBrillas等在此基礎上,提出在酸性介質下,HO2-的質子化生成了H2O2。當然H2O2的產生和穩定性也受到其他因素的影響,包括電解池的構造、陰極性質和操作條件等。

O2+2H++2e→H2O2(1)

O2+H2O+2e→HO2-+OH-(2)

在electro-Fenton中,溶液中的Fe3+可通過反應(3)在陰極還原成Fe2+。圖1說明了在設想的催化循環中,EF處理的有機污染物結構圖[1]。Qiang[3]等指出Fe2+再生將受到電極電勢和面積、PH、溫度和催化劑量的影響。Oturan[4]等通過分別用0.2mm的Fe2+和Fe3+作催化劑,在Pt/碳氈作電極,60mA的不分離電解池條件下降級孔雀綠,結果表明二者具有相同的降解速率。這說明在三維碳制材料下,Fe2+和Fe3+均可作為催化劑的來源。

Fe3++e→Fe2+(3)

Electro-Fenton有其自身的優勢[1]:電化學產生H2O2,可避免其在運輸、儲存和操作的危險;控制降解速率實現機理研究的可能性;由于陰極持續的Fe2+再生提高了有機污染物的降解速率,這也減小了 污泥 ;在佳條件下,可實現低花費小的全部礦化的可行性。

電芬頓法

2.2影響因素

Electro-Fenton能產生無選擇的強氧化性的˙OH,可降解難處理的污染物,包括農藥污染物、染料溶液、藥物和個人護理品(PPCPs)和工業污染物,例如苯胺和酚類等。而不斷優化Electro-Fenton的反應條件,可增強其處理效果。其主要的影響因素包括:pH、陰極電極材料、催化劑的狀態等。

2.2.1pH的影響。

對于electro-Fenton反應,pH是重要的影響因素之一。構成electro-Fenton反應的方程式如式(4)所示。在pH為2.8時,從Fenton反應中產生的˙OH是大的[5],因此,在以Fe2+為催化劑的electro-Fenton反應中,通常選擇pH的條件為3。Diagne[6]等人以碳氈為陰極,通過曝O2進行氧還原反應生成H2O2與Fe3+構成electro-Fenton體系降解甲基對硫磷(MP)。實驗考察了溶液pH和陰離子種類對降解效果的影響,結果表明,在pH為3時,electro-Fenton對污染物的礦化效果的是好的,而陰離子的種類對其礦化也是有影響的,在高氯1酸和硝酸介質中對污染物的降解效果優于硫酸和鹽酸介質,這是由于在硫酸和鹽酸介質中會形成鐵的復合物,抑制的污染物的降解。

Fe2++H2O2→Fe3++˙OH+OH-(4)

Dabesgvar[7]等人也研究了電解質中陰離子的種類,對降解效果的影響。其在陰極電勢為-0.5V/SCE,以石墨氈為陰極,Fe3+為催化劑,降解染料OrangeⅡ,結果表明,降解效果按ClO4-、Cl-、SO42-的順序依次降低。他們人為這是由于Cl-和SO42-可以溶液中的鐵離子形成鐵的絡合物,而降低了有效鐵離子的濃度,此外SO42-還是˙OH的淬滅劑。

2.2.2陰極材料的影響

溶液中 溶解氧 和空氣在適當陰極材料上發生的兩電子兩還原反應,使得電生成H2O2可以應用于 万博在线登录注册 。目前發現的可用于陰極的材料有汞電極、石墨電極、氣體擴散電極和三維電極。所謂三維電極是指相對于體積具有很大的表面積的電極,像是碳氈、活性炭纖維(ACF)、網狀玻璃碳(RVC)、碳海綿和碳納米管等。

由于汞電極1具有毒性,因此現在很少應用。對于碳電極來說,其是無1毒的,而且對于析氫反應的過電勢較高,對于H2O2的降解有低的催化活性,此外其具有較好的穩定性、導電性[1],因此被廣泛研究。但是,氧氣在溶液中的溶解度是很低的,因此氣體擴散電極和三維電極逐漸發展起來。

氣體擴散電極(GDE)具有細小的多孔結構,這些結構有利于溶液中的溶解氧滲濾到電極內部。這些電極擁有大量的表面活性電位,有利于O2快速還原和H2O2的累積。劉栓等[8]以石墨烯與聚四氟乙烯混合壓片制成的石墨烯電極為陰極,在pH為3時降解羅丹明B(RhB)和2,4-二氯1苯酚。結果表明,石墨烯氣體擴散電極電極相對于石墨擴散電極1具有更好的降解效果。MarcoPanizza[9]等人應用購買的氣體擴散電極降解茜素紅溶液,考察了Fe2+、應用電流、溶液pH和溫度對其降解的影響,并分析了降解的機理。

相對于二維電極,三維電極可以縮短反應時間和提高反應速率。三維電極的制備一般是采用流動床、固定床或是多孔材料實現的,其中多孔材料被廣泛的應用于万博在线登录注册的處理。Li[10]等人將Fe@Fe2O3負載于ACF上制備成陰極降解羅丹明B(RhB),考察了降解效果隨pH和陰極電勢的影響。

2.2.3催化劑的影響

根據催化劑的狀態不同可electro-Fenton法分為均相electro-Fenton和異相electro-Fenton。均相electro-Fenton是指反應的催化劑與溶液是均一的,即所用的催化劑是液態的,而異相electro-Fenton是指反應的催化劑與溶液不是均一,即所用的催化劑為固體。

均相electro-Fenton的研究發展較早,研究較多,體系較成熟。但均相electro-Fenton存在一定的缺陷,包括反應條件苛刻(pH=3),隨著反應的進行會形成鐵催化劑會發生絡合而失活,影響反應的效果。因此異相electro-Fenton發展起來,其克服了均相electro-Fenton反應條件苛刻,催化劑絡合失活和穩定性差的缺點,因此被廣泛研究和應用。

Xu[11]等人研究了用零價鐵納米顆粒作為催化劑降解4-氯-3-甲基苯酚(CMP),在降解過程中考察了pH、CMP初始濃度、零價鐵用量和H2O2濃度對其降解效果的影響情況,結果表明,在0.5g零價鐵催化劑和3.0mMH2O2條件下,降解的優條件為pH為6.1,CMP初始濃度為0.7mM。這表明在偏中性的條件下,異相催化劑仍有很高的催化降解效果,說明異相electro-Fenton可應用較寬的pH范圍內。

除了Fe2+/Fe3+外,其他金屬也可電催化產生˙OH。Zhang[12]等人應用蒽醌磺酸鹽/聚吡咯制備的陰極和CuO/Al2O3構建異相electro-Fenton降解偶氮染料。結果表明該體系優條件為溶液pH為4.3,陰極電勢為-0.4V,氧氣量為0.4ml/min,CuO負載量為5.78wt%,反應溫度為70℃,CuO煅燒溫度為450℃時,降解效果好。該文章為其他金屬催化劑催化污染物的降解提供了依據。

此外,二元或多元金屬催化劑也被廣泛關注。Xia[13]等人采用共沉淀法制備了Fe-Cu二元金屬氧化物負載的Al-MCM-41催化劑,用于苯酚的礦化研究。該研究確定了反應的佳條件,并指出Cu在降解過程中起到維持在高pH范圍內催化劑活性的作用,而Al為活性金屬中心提供了電子,增加了電子密度,使催化劑表面處于H+區域適于˙OH的生成。

2.2.4其他因素的影響

除了上述因素外,影響electro-Fenton處理 污水 效果的因素還包括,O2的曝氣量、攪動的速率、反應溫度、電解質的組成、應用電勢和電流和污染物的初始濃度等。

3、展望

在處理難降解万博在线登录注册中,electro-Fenton法起到了很重要的作用。這是由于它能產生高1效的,無選擇性的強氧化劑˙OH。隨著對其的不斷深入研究,electro-Fenton法也在不斷的發展,從對環境污染的Hg陰極到環境友好且高1效的GDE和三維電極,從不分隔電解池到分隔電解池,從回收困難的均相催化劑到易回收的異相催化劑等等。

在未來electro-Fenton仍有需要不斷完善的技術方向:①異相electro-Fenton的不斷發展。相對于均相electro-Fenton,異相electro-Fenton在保持處理效率相同或是更高的情況下,克服了均相的缺點,在今后的研究中應繼續提升異相electro-Fenton在實際中的應用。

②其他金屬催化劑的使用。其他金屬的加入,可優化electro-Fenton的反應條件,進一步提高反應效率。且在二元或是多元金屬氧化物的合成中,各個金屬間會產生協同作用,應繼續研究它們之間的作用機理。③與其他技術的聯合應用。目前有很多技術與electro-Fenton相結合,像是光電Fenton、超聲電Fenton、電化學過氧化技術、生物電化學過氧化技術等等。


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