類Fenton試劑氧化降解廢水中有機(jī)污染物的研究進(jìn)展

楊旭

摘 要：簡要分析了光Fenton、電Fenton和光電Fenton在處理廢水中有機(jī)污染物時(shí)的降解機(jī)理、特點(diǎn)和效果，闡述了國內(nèi)外處理有機(jī)物的現(xiàn)狀及研究出的新型催化劑，并介紹了類Fenton氧化技術(shù)處理有機(jī)污染物的發(fā)展方向，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：光Fenton；電Fenton；光電Fenton；催化劑

中圖分類號(hào)：X131.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.014

近年來，由于Fenton法的氧化速率比較高，所以，受到了國內(nèi)外相關(guān)部門的高度關(guān)注。該方法主要是利用其產(chǎn)生的羥基自由基（·OH）的強(qiáng)氧化性實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物質(zhì)的氧化分解，并且延伸出了光Fenton和電Fenton兩大類Fenton試劑氧化法。

1 光Fenton

Photo-Fenton法主要是利用可見光和紫外線光照提高有機(jī)物的降解速率，在一定程度上降低Fe2+造成的二次污染。普通的Photo-Fenton法對(duì)光的利用率并不高，能耗較大且成本較高，如果在其中加入一些催化材料，則有利于提高光的利用率。常見的催化劑有零價(jià)金屬類物質(zhì)、半導(dǎo)體材料TiO2和礦物黏土類物質(zhì)。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大反應(yīng)面積，減少反應(yīng)時(shí)間和二次污染，使其在保持高降解率的同時(shí)還具有高回收率是十分必要的。目前，樹脂、NaY分子篩和磁性材料等均已作為負(fù)載體被研究。此外，考慮到待處理的有機(jī)廢水都需將pH值調(diào)至酸性后才能反應(yīng)，所以，研究者在其中加入了具有光照響應(yīng)的緩沖劑（草酸、檸檬酸、丙二酸）自動(dòng)調(diào)節(jié)pH值，而且有機(jī)酸會(huì)在廢水中和固體催化劑表面與Fe3+發(fā)生反應(yīng)，形成有機(jī)酸鐵絡(luò)合物。它不僅能降低水中可溶態(tài)鐵的含量，減少鐵離子造成的二次污染，還可以生產(chǎn)高活性的·OH進(jìn)一步氧化、分解有機(jī)物。此外，有機(jī)酸還能與溶解氧反應(yīng)生成H2O2。

Liu SH等將制成的磁性復(fù)合氧化物石墨烯-鐵酸鎳（GO-NiFe2O4）作為降解染料的催化劑。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)染料MB、羅丹明B和MG的質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，在其中加入1.0 g的GO-NiFe2O4和1.0 m mol/L的草酸，并在可見光照射下反應(yīng)10 h后，它們的降解率均可達(dá)96%左右。催化劑重復(fù)利用8次后，MB的降解率依然可以達(dá)到90%以上。由此可見，在采用Photo-Fenton技術(shù)催化降解的研究中，不斷涌現(xiàn)出了一些新型的催化材料。它們不僅能提高光的利用率，展現(xiàn)出高降解率，還能回收重復(fù)利用，節(jié)約材料成本。另外，在其中加入緩沖劑后還能自動(dòng)調(diào)節(jié)廢水的酸堿性，處理中性環(huán)境中的廢水。

2 電Fenton

電Fenton法的實(shí)質(zhì)是將用電化學(xué)法產(chǎn)生的Fe2+和H2O2作為Fenton試劑的持續(xù)來源，兩者反應(yīng)生成·OH 和 Fe3+。具有強(qiáng)氧化性和無選擇性的·OH可以破壞有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)，使之生成小分子中間體或者完全礦化生成CO2和H2O降解有機(jī)污染物。同時(shí)，F(xiàn)e3+能在陰極被還原成Fe2+，使氧化反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行。電Fenton法對(duì)各種有機(jī)廢水的處理效果如表1所示。

目前，常見的電Fenton法分為陰極電芬頓法（EF-H2O2法）、犧牲陽極法（EF-FeOX法）、EF-H2O2-FeOX法和EF-Fere法。前兩種方法的電流效率低、能耗大、成本高，而EF-H2O2-FeOX法則是前2種方法的結(jié)合，雖然它能降低運(yùn)行成本，但是，降解速率也會(huì)降低。EF-Fere法的反應(yīng)條件有一定的局限性，pH值必須小于2.5.鑒于其不足，研究者在其中加入了一種能提高電流效率的催化劑。

何文妍等分別采用均相EF-FeOX法、均相EF-Fere法和非均相電Fenton（Fe2（MoO4）3-kaolin-450）法降解甲基橙偶氮染料廢水。結(jié)果表明，非均相電Fenton（Fe2（MoO4）3-kaolin-450）法的降解效果最好。

3 光電-Fenton

為了進(jìn)一步提高降解速率，研究者在電Fenton法中引入了光催化降解技術(shù)，形成光電芬頓耦合技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了電化學(xué)氧化降解有機(jī)物因素多和光芬頓技術(shù)中光催化提高H2O2利用率的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了2種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，讓它們協(xié)同作用，對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行幾乎無選擇的降解。N·Djafarzadeh等采用光電-fenton法在可見光照下用碳紙作為陰極材料降解活性紅195。試驗(yàn)結(jié)果表明，活性紅195的初始質(zhì)量濃度為20 mg/L，催化劑草酸鉀的物質(zhì)的量濃度為0.6 mmol/L，F(xiàn)e3+的初始物質(zhì)的量濃度為0.3 mmol/L時(shí)，反應(yīng)120 min后，脫色率可達(dá)93%以上。同時(shí)，質(zhì)量濃度為50 mg/L的活性紅195反應(yīng)9 h后，96.2%的有機(jī)物質(zhì)被礦化。

4 展望

在利用類Fenton技術(shù)催化、降解廢水有機(jī)污染物的研究中，已經(jīng)出現(xiàn)了一些新型結(jié)構(gòu)的材料。這些材料基本上就是提供催化活性的載體，其降解有機(jī)污染物的效果明顯高于普通單獨(dú)的催化劑，并且具有較高的回收利用率。光Fenton技術(shù)與電Fenton技術(shù)的聯(lián)用也受到了相關(guān)部門的重視。但是，這些新型材料目前還處于研究階段，應(yīng)用性價(jià)比不高，所以，繼續(xù)研究出廉價(jià)且高效的催化劑和載體以提高降解效率是其今后發(fā)展的方向。另外，光電Fenton在國內(nèi)外也處于初步研究階段，可以在進(jìn)一步認(rèn)清其反應(yīng)機(jī)理和協(xié)同作用的基礎(chǔ)上，研究一種可以同時(shí)提高光和電利用率的催化劑，最大限度地利用光和電。

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〔編輯：白潔〕