談電芬頓法處理紡織染料廢水
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摘要：在芬頓試劑法的基礎(chǔ)上，為改良芬頓試劑法存在的一些劣勢(shì)，采用電芬頓法去處理降解廢水。同時(shí)，電芬頓法與三維電極電芬頓技術(shù)聯(lián)合起來(lái)，并且采用異相催化劑技術(shù)，對(duì)紡織染料廢水進(jìn)行更深層次更完美地去除。
關(guān)鍵詞：芬頓；電芬頓；三維電極；紡織染料廢水
中國(guó)作為紡織大國(guó)，其紡織能力在世界遙遙領(lǐng)先，不過(guò)印染、紡織和染料廢水的排放以及污染情況不容樂(lè)觀。據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，廢水中每年大致含有2億m3的紡織染料。中國(guó)每年的紡織染料廢水所占比例都比前一年有所增加，在使用過(guò)程中有15%左右的染料被排放[1]。
1芬頓法
生物法、物理法、化學(xué)法等都能降解廢水，但是這些方法處理起來(lái)不是那么得心應(yīng)手，紡織染料廢水中含有大量化學(xué)合成物，處理一旦不妥當(dāng)或者哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，就會(huì)造成化學(xué)廢品的遺漏或者不慎排放都會(huì)導(dǎo)致環(huán)境被破壞和污染，同時(shí)對(duì)人類的生態(tài)環(huán)境造成了相當(dāng)大程度的沖擊。如今，越來(lái)越多的研究者在降解有機(jī)廢水污染物中采用高級(jí)氧化方法。高級(jí)氧化的原理是利用•OH（羥基自由基）的強(qiáng)氧化能力，可以氧化廢水中有機(jī)污染物質(zhì)變成水和二氧化碳，并且達(dá)到降解廢水的效果[2]。高級(jí)氧化法有很多種類，本文主要闡述的是芬頓氧化法。1894年，來(lái)自法國(guó)的FentonHJ于實(shí)驗(yàn)中偶然間發(fā)現(xiàn)了芬頓試劑，由此以他名字命名為芬頓氧化法。他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Fe2+能夠催化過(guò)氧化氫生成比H2O2具備更強(qiáng)氧化性的•OH[3]。
2電芬頓法
2.1電芬頓與傳統(tǒng)芬頓的比較
隨著時(shí)間的推移，實(shí)際廢水有機(jī)污染物的處理中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到芬頓高級(jí)氧化法。比如單寧和湯梅潔利用芬頓法對(duì)浙江省德清縣新安鎮(zhèn)某某紡織印染廠的生化出水進(jìn)行了深度處理，得出COD去除率很好，出水的COD降低很多等結(jié)論[4]。但不可忽略的是芬頓法處理廢水有機(jī)污染物的過(guò)程中消耗掉過(guò)多的試劑，浪費(fèi)資源。而且過(guò)氧化氫極易分解，不宜久存，并且相關(guān)經(jīng)費(fèi)極高，經(jīng)濟(jì)效益不是特別好。這時(shí)，電芬頓通過(guò)在陽(yáng)極外加Fe2+，或者在適合的陽(yáng)極生成Fe2+，可以相對(duì)降低相關(guān)費(fèi)用，節(jié)約資源，處理效果更好。
2.2電芬頓的基本原理
酸性條件下，通過(guò)在陽(yáng)極外加Fe2+，或者在適合的陽(yáng)極生成Fe2+，陰極曝氣，電化學(xué)持續(xù)產(chǎn)生過(guò)氧化氫[5]。氧氣在陰極反應(yīng)生成過(guò)氧化氫：1）Fe3+在陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)被還原為Fe2+；2）Fe3+氧化溶液中的H202能夠與Fe3+反應(yīng)生成Fe2+，實(shí)現(xiàn)鐵離子還原；3）Fe3+與體系中間產(chǎn)物HO2•反應(yīng)實(shí)現(xiàn)Fe2+的還原；4）Fe3+氧化溶液中O2-與Fe3+反應(yīng)，使Fe3+被還原成Fe2+；5）Fe3+和攜帶有鹵族自由基的一類有機(jī)物發(fā)生還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)Fe2+的循環(huán)。
2.3電芬頓法陰陽(yáng)極的選擇
電芬頓具有一些優(yōu)點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)[6]：①運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)能減排；②操作簡(jiǎn)單；③處理效率好，節(jié)約資源；④無(wú)二次污染。電芬頓能在芬頓試劑法的基礎(chǔ)上更高效地降解有機(jī)廢水和去除有機(jī)污染物，因此其被廣泛使用與研究[7]。HSIAO[8]等使用電芬頓法處理氯苯和酚，以石墨作陰極，研究Fe2+和H202原位生產(chǎn)和循環(huán)，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出該方法處理效果比傳統(tǒng)芬頓法有顯著提高的結(jié)論。
3三維電極電芬頓法
3.1三維電極反應(yīng)原理
OH，俗稱羥基自由基，它的氧化能力強(qiáng)，氧化電位很高，可達(dá)到2.8eV。它能夠與許多水中污染物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在沒(méi)有二次污染的前提下，從而將有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成水和二氧化碳等無(wú)毒無(wú)害物質(zhì)[9]。三維電極比表面積大，具有高效并且快速的處理效率，便于發(fā)生電解反應(yīng)，從而達(dá)到高效地降解廢水中有機(jī)污染物的結(jié)果[10]，反應(yīng)方程式如下：
3.2三維電極與電芬頓技術(shù)的混合
當(dāng)今社會(huì)飛速發(fā)展，僅僅用一種方法來(lái)處理會(huì)帶來(lái)處理效果差等一系列問(wèn)題，兩種或兩種以上的方法聯(lián)合使用被如今越來(lái)越多的學(xué)者加以研究。例如電芬頓法可以輔加光催化劑變成光電芬頓[11]。除此之外，電芬頓還可以輔加超聲波變成超聲電芬頓[12]。而三維電極電芬頓法是指電芬頓在芬頓氧化法的基礎(chǔ)上采用電化學(xué)方法，溶液中的鐵離子和過(guò)氧化氫以一定速率持續(xù)產(chǎn)生，二者反應(yīng)生成的羥基自由基的強(qiáng)氧化能力去除有機(jī)物和降解廢水[13]。艾智慧[14]等采用泡沫鎳、活性炭纖維為陰極，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三維電極電芬頓體系對(duì)廢水中有機(jī)污染物的去除率在30min時(shí)可達(dá)到99.00%，去除率比單獨(dú)采用的三維電極（33%）和電芬頓法（19%）高了很多。
4異相三維電極電芬頓法處理紡織染料廢水
4.1均相芬頓催化劑
催化劑的種類有兩種，均相和異相。液態(tài)催化劑是均相的，即催化劑與溶液是均一的；固態(tài)催化劑是異相的，即催化劑與溶液是非均一的。均相芬頓催化劑最開(kāi)始還是由法國(guó)科學(xué)家FENTON[15-16]發(fā)現(xiàn)的。均相催化劑研究時(shí)間早，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題自然也很多：①對(duì)色度產(chǎn)生一定的影響，且影響不可逆；②pH范圍過(guò)于狹窄；③Fe催化劑會(huì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)而最終失活。
4.2異相催化劑
為了解決均相催化劑的一系列問(wèn)題，人們開(kāi)始著手研究異相催化劑的使用功能特點(diǎn)。異相催化劑pH作用范圍廣，研究體系并未十分成熟，所以學(xué)者傾向于研究異相電芬頓法處理廢水中的有機(jī)物。WANG[17]和ZHONG[18]等使用零價(jià)鐵作為異相芬頓試劑來(lái)處理廢水，并取得了十分顯著的成效。
4.3異相三維電極電芬頓法
傳統(tǒng)異相三維電極電芬頓法是將Fe附著到相應(yīng)的載體上面，并成為電極材料，通過(guò)各種反應(yīng)最終制成異相催化劑。電解過(guò)程中陰極產(chǎn)生H2O2與陰極表面的Fe反應(yīng)生成•OH。由于Fe做陰極的試驗(yàn)研究過(guò)早，并無(wú)特別多的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)階段學(xué)者更傾向于加入新的金屬或者新金屬與Fe的混合，例如鈰、錳、銅、鋅等。關(guān)曉雨[19]等制備了Fe-Cu-Ce/Al2O3形式的催化劑之后，用于異相催化劑pH作用范圍廣的研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，加入該異相催化劑在pH=5~9的范圍內(nèi)作用效果最好，加大了pH作用范圍。
5結(jié)束語(yǔ)
三維電極電芬頓法對(duì)含有難降解有機(jī)物的廢水的去除效果很好，尤其加入異相催化劑后，深得各界研究者們的好評(píng)。加入其他金屬元素可以得到與Fe不一樣的處理廢水有機(jī)污染物的效果。而想用三維電極電芬頓法處理紡織染料廢水，可以首先對(duì)電極材料進(jìn)行選擇，例如研究Fe/Fe電極和C/C電極材料對(duì)H2O2濃度的影響，研究?jī)煞N電極材料對(duì)紡織染料廢水COD的去除效果。之后可以深入研究納米鐵、活性炭、納米鐵與活性炭二元混合粒子[20]填充的三維電極。然后對(duì)比二維與三維電極電芬頓法在不同電解質(zhì)濃度、曝氧氣強(qiáng)度、極板間距、pH值下對(duì)紡織染料廢水COD的去除效果。最后對(duì)比異相與均相三維電極電芬頓在不同電解質(zhì)濃度、曝氧氣強(qiáng)度、極板間距、pH值下對(duì)紡織染料廢水COD的去除效果。
作者：劉瑞文 李亞峰 單位：沈陽(yáng)建筑大學(xué)
