芬顿试剂处理废水的研究与进展

1、芬顿试剂处理废水的研究与进展摘要：近年来，高级氧化技术在处理废水方面取得了一定的进展， 尤其是芬 顿试剂作为一种强氧化剂去除废水中的有机污染物效果显著。本文介绍了Fenton试剂的氧化机理，概述了 Fen to n试剂氧化的影响因素和演变，并对各种 类型的Fenton氧化法在废水处理中的应用做了阐述。关键词：废水；有机污染物；芬顿试剂；反应机理引言：1894年,法国科学家Fenton发现,在酸性条件下，Fe2+ / H2O2可以有效 氧化酒石酸：2H+C4H3O6+2Fe2+6HlQ4CO+10HO+2Fe+这项研究发现为人们分析还原性有机物和有机物的选择性氧化提供了一种 新的方法。人们为了纪

2、念这位伟大的科学家，将Fe2+/ H2 O命名为Fenton试剂（中 文芬顿），即为标准的芬顿试剂，由芬顿试剂介导的反应称为芬顿反应。自芬顿 试剂及芬顿反应发现以来，有关芬顿反应的研究主要用于有机合成、酶促反应 以及细胞损伤机理和应用，这为人们分析还原性有机物和选择性氧化有机物提 供了一种新的方法。1964年，加拿大学者Eisenhaner首次将芬顿试剂应用到 水处理中。他用芬顿试剂处理 ABS废水，ABS的去除率高达99%。Fenton试 剂具有很强的氧化性，而且其氧化性没有选择性，能适应各种废水的处理，因 此受到国内外的广泛关注。随着科学技术的发展与进步，各种水处理方法层出 不穷，科学家们

3、在Fen to n试剂的基础上衍生出很多类 Fenton法，如光（电） -Fenton，超声波-Fenton 等3-6。1芬顿试剂机理研究1.1强氧化作用目前普遍为大家所接受的反应机理：Fe2+与HO反应与分解生成羟基自由 基（ OH）和氢氧根离子（OH），并引发连锁反应从而产生更多的其它自由基， 然后利用这些自由基进攻有机质分子， 从而破坏有机质分子并使其矿化直至转 化为CO、HO等无机质7-10.链的开始：Fe2+HQ Fe3+OF+ OH链的传递： OH+FtFe3+OH OH+2O HO+HOFe3+H2QFe2+ HO+H HQ+FeT Fe2+ Q+H OH+R- R+H0 OH+

4、R- R-H +OH链的终止：2 OF H2O2 HO+ HO Fe2+QFe3+ O- Fe2+H+QFe3+ HG Fe+H+Q2+3+ HO+Fe +HFe +HQ HO+ Q-+HH2Q+Q O2-+Fe2+2Hf Fe3+HQO- +R-CH=CH-R Ri-C(OH)H=CH-R根据羟基自由基氧化机理，芬顿试剂之所以能氧化降解有机污染物，主要 是由于羟基自由基的强氧化能力(其氧化电位高达+2.8 V )。另外，羟基自由 基具有很高的电负性或亲电子性，其电子亲和能力高达569.3 kJ，具有很强的加成反应特征。1.2絮凝/沉降作用以上这些经典机理对一些实际废水处理所存在的现象却往往难

5、以解释。Walling和Kato, S. H. Lin 和Lo的研究表明，Fenton试剂在处理废水过程中， 再生的Fe2+、反应后端产生的Fe3+与氢氧化物反应生成的铁水络合物，还具有絮 凝、沉淀的功能。主要反应方程式如下11:Fe(H 2O)6 3+H2O Fe(H zObOHf+HCFe(H 2O)5OH+HO Fe(H 2O)4(OH)2十+HC当pH值为3-5时，2Fe(H 2O)5OHFe(H 2O)s(OH)2 4+2H2OFe(H 2O)s(OH)2 4+H2O Fe(H 2O)7(OH)33+HQFe(H 2O)7(OH)3 3+Fe(H 2O)5OHf+ Fe 3(H2O)

6、7(OH)4 5+2H2O以上反应方程式表示了 Fenton试剂具有絮凝功能。Shen舸究表明，Fenton 试剂所具有的这种絮凝功能是降解CO的重要组成部分。1.3 Fenton试剂氧化的影响因素根据上述Fenton试剂氧化降解有机物的机理和途径可知， OH是氧化有机 物的有效因子，而二价铁、过氧化氢及废水的酸碱性决定了 OH的产率，即决定了降解有机物的程度，因此溶液的pH值、催化剂的种类及投加量 H2O的投加量、投加方式以及体系的反应时间等都影响 Fenton试剂处理难降解废水的程度。 同时对于不同的废水水质在相同的条件下有不同的处理效果，其最佳处理条件随着处理水质的变化而变化12。1.3

7、.1 pH 值pH是影响Fenton试剂处理效果的重要因素之一，H2Q分解为 OH的速度与 溶液中OH的浓度有关，即溶液初始pH值对双氧水的分解有很大的影响。双氧 水在碱性条件下极不稳定，容易分解，在酸性条件下其分解反应动力学常数最高。 针对不同的工业废水，其适宜的pH范围不尽相同。pH过高或过低对有机物去除 均不利，因为催化过氧化氢分解的铁的有效形式是Fe(O2H)2+、Fe(OHf,其在pH2-5的范围内浓度较高。1.3.2催化剂的种类能够催化过氧化氢的金属离子催化剂可以有多种，常见的有：CiT Fe2+、Fe3+、m6+等。在不同金属离子存在下，双氧水对难降解有机物的催化氧化效果不同。

8、研究结果表明,FeSO4为Fenton试剂的最佳催化剂。1.3.3 H2O2投加量采用Fen to n试剂处理废水的有效性和经济性主要取决于双氧水的投加量。 现有文献提及：随着过氧化氢用量的增加，氧化效率(O.E)值下降，这可能和副反应的发生有关。当过氧化氢用量较高时，使得过氧化氢发生无效分解从而降低 了氧化效率。1.3.4 H2O2投加方式保持H2Q的总投加量不变，将HQ均匀地分批投加，可提高废水的处理效果。 其原因是"Q分批投加时，H2Q/Fe 2+相对降低，即催化剂浓度相对提高，从 而使fQ的OH产率增大，提高了 fQ的利用率，进而提高了总的氧化效果。1.4芬顿试剂的优缺点即研

9、究方向优点：1. 反应条件温和，设备简单，适用范围广2. 既可作为单独处理技术应用，也可与其它处理过程相结合3. 将其作为难降解有机废水的预处理或最终深度处理方法，与其他处理方法 （如生物法、混凝法等）联用，可以更好地降低废水处理成本，提高处理效率，拓 宽该技术的应用范围。缺点：1. 使用的试剂量多，过量的Fe2+增大处理后废水中的CO并产生二次污染2. 有机物矿化不充分，形成的中间产物往往毒性更大3. pH范围为2.0-4.0，范围太窄，限制了有机污染物处理的范围研究方向铁离子的固定化，制备含铁的固体氧化剂，研制出适用废水pH值范围宽的非 均相催化剂，进行多相Fenton反应。2 Fento

10、n试剂的演变2.1类Fenton试剂有研究表明，利用Fe盐溶液、可溶性铁以及铁的氧化矿物（如赤铁矿、针铁 矿等）同样可使"Q催化分解产生 0H达到降解有机物目的，以这类催化剂组 成的Fenton试剂，称为类Fenton试剂13。Fe°-H2Q氧化法就属于类Fenton法中 的一种，与普通Fenton氧化法相比，不同之处在于：前者所用的催化剂是Fe0, 当H2Q存在时被氧化成Fe2+,生成的Fe2+再与HQ反应；两者的Fe2+的生成过程 不同，前者从Fe0到Fe2+溶解速度有限，使得Fe2+浓度降低，无效反应得到控制， 而后者反应开始时向废水中添加 Fe2+,因起始浓度高，使

11、Fe2+氧化成Fe3+的反应 不可忽视；前者产生的污泥量少，且 "Q利用率高。2.2 光-Fenton 试剂把光引进Fenton试剂可以克服普通Fenton试剂的缺点，称为光-Fenton试 剂。目前有UV-Fenton试剂、UV-vis/H 2Q草酸铁络合物法、UV/Fe柱撑膨润土、 UV/聚合羟基 Fe柱撑膨润土 14、UV/聚合羟基 Fe柱撑膨润土 /草酸15和UV-TiO2/Fenton 试剂。UV-Fenton法并不是普通Fenton 法与UV/ H2Q的简单复合，与普通Fenton 法相比具有如下优点何： Fe2+和Fe3+能保持良好的循环反应，提高了试剂的利用效率； U

12、V光和Fe2+对H2Q催化分解存在协同效应，这主要是由于铁的某些羟基 络合物可发生敏化反应生成 0H所致，反应式如：Fe(OH)2J Fe2+ OH 有机物矿化程度更彻底； 有机物在紫外线作用下可部分降解。但是不能用于处理高浓度的有机废 水，且对太阳能的利用率不高，处理设备费用高。为了改善这种状况，人们将草酸盐和柠檬酸盐引入 UV/Fenton体系。水中三 价铁的草酸盐和柠檬酸盐络合物具有较高的光化学活性。由于草酸盐络合物的光化学活性强，提高了对紫外光和可见光的利用率，可处理高浓度有机废水，另 外OH产生速率高，节约H2O用量，但该法依然存在如下缺点15: 草酸铁络合物对可见光利用率不高，且穿

13、透力不强；3-2-_ 在Fe(C2C4) 3_的光解中生成CC2,其可转化为CQ_和HCO_，它们对 OH有 清除作用； 自动产生HQ的机制不完善。2.3 电-Fenton 试剂电-Fenton氧化法是把通过电化学法产生的 fQ和F/作为Fenton试剂的 持续来源。与普通Fenton试剂和光-Fenton试剂相比，具有以下优点16: 自动产生HQ的机制完善； 有机物降解的因素多，除 OH的氧化作用外，还有阳极氧化、电吸附等； 喷洒在阴极上的氧气或空气可提高反应溶液的混合作用； Fe2+可由阴极再生，污泥产量少。2.4微波Fenton法微波波长在1mm1之间。微波辐射液体能使其中的极性分子产生

14、高速旋转 而产生热量，同时改变体系热力学函数，降低活化能和分子的化学键强度改善反 应条件，加快反应速度，提高反应产率，促进一些难以进行反应的发生。对物体内外同时加热，具有加热速度快、无温度梯度、无滞后效应等特点显著缩短反应 时间，提高降解产率，具有较大的工业应用潜力。2.5 超声 /Fenton超声过程中H 2O 2的生成速度较慢，将超声波与 Fen to n试剂氧化法相结合 显著地缩短反应时间，提高了降解率。并且随着Fe2+»H 2O 2浓度的增加，降解速率加快超声波对有机物的降解源于超声空化作用即存在于液体中的微小气泡 在超声场的作用下振荡、生长、崩溃和闭合的过程。当对液体施加一

15、定频率和强 度的超声波时，就会产生大量的微小气泡。空化崩溃时，在极短的时间和空化泡 周围的极小空间内，产生高温和高压，对水中污染物直接产生热解作用，同时产生氧化电位很高的羟基自由基H 2O H + HOHO +HOH 2O2H + HOH 2将Fe2+引入反应溶液，就会和超声波产生的H 2O2产生 0H3 Fenton试剂在废水处理中的应用近年来，高级氧化技术在处理难生物降解废水方面取得了一定的进展，尤其是Fenton试剂作为一种强氧化剂去除废水中的有机污染物效果显著。Fenton试剂法是一种采用过氧化氢为氧化剂、以亚铁盐为催化剂的均相催化氧化法，在 偏酸性条件下，反应过程中产生的0H是一种氧

16、化能力很强的自由基，具有较高的氧化还原电位，能迅速的氧化废水中的污染物而几乎没有选择性，可使废水中的有机结构发生碳链裂解，使难于生物降解的大分子有机物裂解为易于微生物 降解的小分子有机物，或者完全矿化为 C02和H0,既可以作为预处理，也可以 作为深度处理。与其它氧化工艺如相比，Fen to n试剂氧化法具有运行成本低、工艺简单、操作简便和在常温常压下反应的特点。3.1 Fen to n 试剂在化工废水中的应用难降解有机废水普遍具有较高的毒性和致癌性、 微生物降解速度慢、处理难 度大等特点。有机、石油等化工废水中含有较多的多环芳香烃、 硝基苯类、酚类、 有机氯化物、氯代酚类及一些高分子物质等。

17、F. J. Beltran等17采用Fenton试 剂降解水体中芴、菲和苊三种多环芳烃污染物的研究表明， 低浓度的芴、菲和苊 在适宜的条件下，均有较好的去除率。 V. Kavitha 18分别采用Fenton试剂和Photo-Fenton法对2-硝基苯酚、4-硝基苯酚、2,4-二硝基苯酚和2,3,6-三硝 基苯酚废水进行处理研究，其中Fenton试剂法对这4种硝基苯酚水样中的 TOC去除率在20%-32%之间；采用Fenton法配合紫外光和太阳光照射实验进行 对比，TOC去除率均超过92%。周珊等19采用Electro-Fenton 法处理含4-氯酚 废水，实验以活性炭纤维为阴极，铁为阳极，去

18、除率达到85.70% o3.2 Fenton 试剂在印染废水中的应用纺织印染废水具有色度高，COD高和排放量大等特点，尤其在化纤生产、纺 织、印染加工过程中，大量用到表面活性剂、助剂、油剂、浆料、树脂和染料， 使纺织废水COD越来越高，而这些合成物质难于被生化降解。其中多数染料分 子是以苯环为核心的稠环、杂环结构，属于高度稳定的大分子有机物，其中的硝 基和胺基等基团具有较大的生物毒性和致癌性。目前印染废水处理厂普遍采用物 化生化二级处理工艺，处理后出水的和色度均较高，直接排放会给环境带来危害。王利平等20采用Fenton试剂对常州市某印染废水处理厂的二沉池进行深度 处理，在pH=6 HQ/Fe

19、2+=0.8，卩投加量为1.0g/L，反应时间为3h的条件下， 研究了 Fenton试剂对COD TP、TN NH3-N和色度的去除效果，结果见表 1:表1 Fenton试剂对印染废水的深度处理效果项目原水出水DB32/1072-2007 限值COD (mg/L)83.213.1250TP (mg/L)1.130.280.5TN (mg/L)19.0613.9115NH3-N (mg/L)0.350.195色度/倍48840由表1可知，印染废水经试剂深度处理后，出水水质可达到太湖地区城镇 污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值 (DB32/1072-2007)的要求， 对COD TP、T

20、N NH3-N和色度的去除率分别为 84% 75% 27% 46% 83% 达 到了很好的处理效果。谭万春等21研究了混凝-Fen to n氧化法对两种不同模拟水样的处理效果， 筛选了最佳的混凝条件及氧化条件。试验结果表明，混凝-Fen to n氧化法对亲水性染料和疏水性染料废水都适合，pH值对混凝-Fen to n氧化法影响较大，混 凝的适宜pH值为8 10,而Fenton法氧化的适宜pH值为3左右；废水COD与 色度去除率分别达到90唏口 95%以上。3.3 Fenton 试剂在制药废水中的应用制药废水成分复杂、毒性大、色度深，常含有大量的生物抑制剂，而且废水 水质、水量波动较大，是处理难

21、度较大的工业废水之一。M. Ravina等国以400W高压汞灯为光源，采用Photo-Fenton对含双氯芬酸止痛药废水进行处理研究， 在适宜的试验条件下，水样的TOC去除率达到100%黄永辉等23采用Fenton试 剂处理含咪唑酮、羟基吡嗪、氯乙酰胺及长链亚胺类化合物等杂环类制药废水， 也取得了显著的成果，将废水的可生化性由0.1提高到0.6。梅国平等24用Fen to n试剂对硝苯地平医药废水进行氧化处理实验研究，结 果表明，当H2Q/Fe2+=5:1，3%勺HQ用量为0.4ml，溶液pH=2.5,反应时间为24h 时，在20C、120r/min条件下，废水 COD去除率可达74.5%,

22、BOD/CO从0.1 提高至0.31，可生化性得到较大提高，为后续的生物处理创造了条件。3.4 Fen to n 试剂在农药废水中的应用农药废水污染物浓度较高，COD!大，含有杀虫剂、除草剂、有机氯农药和 有机磷农药等，由于其中含有酚、砷、汞等有毒物质以及许多生物难以降解的物 质，使其具有毒性大、有恶臭气味以及对人的呼吸道和粘膜有刺激性等特点。 H.Katsumata等西以990W高压氙灯为光源，采用 Photo-Fenton 对含利谷隆废 水进行处理研究，在适宜条件下，利谷隆去除率为100%并且经过一段时间TOC 去除率为90%孙红文等26采用Fenton试剂和Photo-Fenton对2,

23、4-二氯苯氧 乙酸(2,4-D)进行降解试验，在2,4-D 质量浓度为200mg/L、HQ质量浓度为 200mg/L、Fe2+质量浓度为40 mg/L、pH值 为3.5、反应时间为10min条件下， 2,4-D 降解率为85%,水样的TOC去除率为80%;在Photo-Fenton 作用下， "Q质量浓度为100mg/L,Fe2+质量浓度为20mg/L,pH为3.5，反应时间为60min, 可达到与Fenton试剂相同的处理效果。3.5 Fenton 试剂在含油废水中的应用含油废水成分较复杂，不仅含油浓度高，且常溶有大量的苯类、酚类、腐殖 酸类和多环芳烃等有机污染物，难于生物降解。钟

24、萍等27通过采用Photo-Fenton 方法，以500W高压汞灯为光源，对含煤油废水进行处理研究，结果表明，油类 去除率达到75%刘建伟等28 采用Fen to n试剂对发酵甘油生产废水进行处理研 究，通过处理后废水的 COD由 13500mg/L降至4030mg/L,可生化性由0.202提 高到0.568。祁佩时等29研究了以Fen to n试剂为氧化剂的氧化处理方法对稠油石化废水 进行处理，研究表明，当Fenton氧化的初始条件为质量比(H2Q/COD)R=1.52,摩 尔比(H2Q/Fe2+)M=10:1初始pH=3,时间为60min,氧化温度T=25°C时,氧化后 COD由

25、 89.2mg/L 降至 34.0 mg/L，去除效率为 62.00%。3.6 Fen to n 试剂在焦化废水中的应用焦化废水是焦化厂在焦炭炼制煤气净化及产品回收过程中产生的废水，其中含有酚、氨氮、氰、芳香族化合物、苯、吡啶、吲哚和喹啉等几十种污染物， 成分复杂，污染物浓度高、色度高、毒性大，性质非常稳定，是一种典型的难降 解有机废水30-31。武建军等32 采用Fen to n试剂对焦化废水SBR处理后的出水进 行后续氧化处理，当氧化剂HQ投加量为1.67mL/L，FeSO 7H2O的投加量为1.67g/L，废水的初始pH值为6.5，静置氧化时间4h时，Fenton氧化达到最佳 处理效果，

26、COD从481.152mg/L 降至246.758mg/L，去除率为 48.72 %。张娴 娴等昭对重庆钢铁基团焦化厂实际生产废水进行实验研究，结果表明：在常温 25C下，pH= 3.0,反应持续时间5min,氧化剂投加量 HO/ CODc= 2:12，Fe2+的 投加量Fe2+/H2Q=15:1，2次投加时，Fenton法氧化降解处理焦化废水达到 最佳处理效果，COD从2480mg/L降至295mg/L，酚从800mg/L降至84mg/L,去 除率分别为88.12%, 89. 45%。王春敏等34对某焦化厂生化处理前的废水进行 Fenton试剂一活性炭吸附处 理研究，该废水的pH值约为7.2

27、 , COD为1935 mg/ L,结果表明：Fenton试剂- 活性炭吸附工艺处理焦化废水的最佳操作条件为：Fen to n试剂氧化阶段HO投加量为55mmol/L, Fe2+/H 2O =1:10，初始pH=3;活性炭吸附阶段活性炭投加 量为2.5 g/ L , pH= 3,吸附时间30min。在此操作条件下，焦化废水 CO降至 48mg/L,去除率达 97.5%。4结论Fen to n试剂作为一种强氧化剂用于去除有机工业废水中的难降解有机污染 物具有明显优点，是一种很有应用潜力的废水处理技术。 但是目前大多数研究尚 处于实验室和理论探索阶段，有关实际应用的成果报道较少，其原因主要有：Fe

28、nton氧化体系对pH响应范围较窄(pH2.0-4.0);反应过程中Fe2+易流失， 且常产生大量难处理含铁污泥；以紫外光作为光源的UV/Fenton和电-Fenton法 处理费用通常相对较高。加大以太阳光和可见光为光源的 Photo-Fenton法研究，充分利用太阳光， 可有效地节约能源和降低处理成本；电-Fenton法不需要外在提供HO,且Fe2+ 可循环再生利用，是最为清洁的Fen to n氧化技术；另外研究Fen to n氧化法与其它处理过程组合工艺也是近年来研究者所关注的。因此Fen to n氧化法基本上将沿着Photo-Fenton法、电-Fenton法以及和其他处理过程组合工艺的

29、路线向前 发展。5我的设想Fe nton氧化体系对pH响应范围较窄(pH2.0-4.0)，因此，拓宽Fen to n氧化 体系的pH响应范围，开展Fe2+/Fe3+固定化技术研究，找到合适的Fe的非均相催 化剂载体是我当前的研究目标。由于自然光中，紫外光仅占3-5%,探讨如何对催化剂进行表面修饰，使其在可见光下具有高效、稳定的催化性能也是我今后研 究的重要方向。参考文献1 邓小晖，张海涛，曹国民.芬顿试剂处理废水的研究与应用进展J.上 海化工，2007, 32(8):1-5.2 相欣奕，郑怀礼.Fenton反应处理染料废水研究进展J.重庆建筑大学 学报，2004, 26 (4): 126-13

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