量子芬顿新工艺在废水处理方面的应用

0.概述 

1894年，法国人H,J,HFenton发现采用Fe2++H2O2体系能氧化多种有机物。后人为纪念他将亚铁盐和过氧化氢的组合称为Fenton试剂，它能有效氧化去除传统废水处理技术无法去除的难降解有机物，其实质是H2O2在Fe2+的催化作用下生成具有高反应活性的羟基自由 (•OH)。•OH可与大多数有机物作用使其降解。随着研究的深入,又把紫外光(UV)、草酸盐 (C2O42-)等引入Fenton试剂中,使其氧化能力大大增强。从广义上说,Fenton法是利用催化剂、 或光辐射、或电化学作用，通过H2O2产生羟基自由基(•OH)处理有机物的技术。近年来， 越来越多的研究者把Fenton试剂同别的处理方法结合起来，如生物处理法、超声波法、混凝法、沉淀法，活性炭法等，从发展历程来看，Fenton法基本上是沿着光化学，电化学和其它方法联用三条路线向前发展的。

 1. 标准Fenton法    

Fenton试剂的实质是二价铁离子(Fe2+)和过氧化氢之间的链反应催化生成OH自由基，具有较强的氧化能力，其氧化电位仅次于氟，高达2.80V， 另外, 羟基自由基具有很高的电负性或亲电性 ,其电子亲和能力达 569.3kJ 具有很强的加成反应特性， 因而 Fenton试剂可无选择氧化水中的大多数有机物， 特别适用于生物难降解或一般化学氧化难以凑效的有机废水的氧化处理，Fenton试剂在处理有机废水时会发生反应产生铁水络合物,主要反应式如下   [1]: [Fe(H2O)6]3++H2O→[Fe(H2O)5OH]2++H3O+ 

        [Fe(H2O)5OH]2++H2O→[Fe(H2O)4(OH)2]+ H3O+ 当pH为3~7时,上述络合物变成: 

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 以上反应方程式表达了Fenton试剂所具有的絮凝功能。Fenton试剂所具有的这种絮凝/沉淀功能是Fenton试剂降解CODcr的重要组成部分，可以看出利用Fenton试剂处理废水所取得的处理效果，并不是单纯的因为羟基自由基的作用，这种絮凝/沉降功能同样起到了重要的作用。普通Fenton法在黑暗中就能破坏有机物，具有设备投资省的优点，但其存在两个致命的缺点：一是不能充分矿化有机物，初始物质部分转化为某些中间产物，这些中间产或与Fe3+形成络合物，或与•OH的生成路线发生竞争，并可能对环境造成的更大危害；二是H2O2 的利用率不高，致使处理成本很高。  

利用Fe(Ⅲ)盐溶液,可溶性铁，铁的氧化矿物(如赤铁矿,针铁矿等)，石墨，铁锰的氧化矿物同样可使H2O2催化分解产生•OH，达到降解有机物目的，以这类催化剂组成的Fenton体系,成为类Fenton体系，如用Fe3+代替Fe2+,由于Fe2+是即时产生的，减少了•OH被Fe2+还原的机会，可提高•OH的利用效率。若在Fenton体系中加入某些络合剂(如C2O42-、EDTA 等),可增加对有机物的去除率。  Kuo W G.[2]采用Fenton试剂进行染料的脱色处理，在PH＝3.5的条件下，使CODcr的平均去除率达到90％，脱色率达到97％，并指出温度使控制脱色率的主要因素，升高温度有利与脱色率的提高。熊燕萍[3]经过实验发现，Fenton试剂对洋茉莉醛有很好的降解作用，具有反应快、效果明显的优点，能成功地将大分子洋茉莉醛分解韦较小的烷烃分子，且在最佳实验条件下，CODcr的去除率可以达到80％以上。

2.量子芬顿法

物理学上量子是电磁辐射最小的能量描述。量子环直接作用于水体，水体通过量子环时，量子环发射周期变化的微扰共振能量场，可以改变液体分子团簇的能级结垢，使水体的物理性能发生改变，将原有的大分子团变成小分子团，因而具有更强的渗透力、更高的溶解能力和更强的活性。量子技术在废水处理上的的作用是将难降解的大分子团转变为小分子团，使其更加容易处理，水体的活性可以增强OH自由基的生成和氧化强度。我们经过研究发现，传统的芬顿反应的活性不够主要原因在于芬顿试剂的制备，我们将其改进，将废水水体的PH调节至1~2加入活性铁球反应可以产生活性更加强的亚铁离子，并且我们在双氧水中添加了稳定剂，双氧水的活性不会那么强烈，减少了分解带来的损耗，在量子能量波的作用下，新产生的亚铁离子与双氧水结合不断的产生新的OH自由基团，不断的对被分解为小分子的CODer进行氧化分解，活性铁球在酸性条件下会形成原电池微电解反应，可以去除部分COD。相比传统的芬顿反应，新的工艺的特点在于：

1.       可以除去普通芬顿难降解的有机物质，并且更加的彻底。

2.       反应过程更加简单，只需要补充酸，双氧水和稳定剂即可。

3.       药剂的消耗量更加少。

4.       活性铁球具备的微电解反应可以去除部分COD

反应完之后和普通的芬顿工艺一样会具备絮凝沉降的过程，主要反应式如下：

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

    [Fe(H2O)5OH]2++H2O→[Fe(H2O)4(OH)2]+ H3O+ 当pH为3~7时,上述络合物变成: 

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以上反应方程式表达了Fenton试剂所具有的絮凝功能。我们采用新的工艺对某农药厂的草甘膦甲醛废水进行了处理，在PH为1~2的条件下加入双氧水和稳定剂至PH到3.5左右停止反应，废水中的甲醛含量由10000ppm降至10ppm以下，甲醛的去除率达到了99.99%。而同比传统的芬顿反应不到95%的去除率取得了进步。