浅谈我国水处理中的高级氧化技术

2007.9(下旬刊)2007.9(下旬刊)1.引言随着工业的高速发展,进入水体的化学合成有机物的数量种类急剧增加,造成水资源的严重污染,已经威胁到了人类的生存与发展。处理有机废水最经济的是生物处理方法,然而对于那些有毒且难生物降解的有机化合物,往往不能采用生物降解的方法去处理,而不得不考虑用其他方法了。包括有混凝、沉淀、气浮、高级氧化技术(AOT)等。下面主要谈谈高级氧化技术。高级氧化技术是指在水处理过程中可产生羟基自由基(·OH),使水体中的大分子难降解有机物氧化成低毒或无毒的小分子物质,甚至直接降解成为CO2和H20,接近完全矿化。它是最有前景的处理低浓度难降解有机物的方法。常见有机污染物与O3和·OH的反应速率常数比较如表一。从表一可以看出O3对不同的有机物质的氧化速度相差很大因而处理有机废水具有选择性,而·OH与不同有机物质的反应速率常数相差很小,它几乎可以无选择的将有机物矿化。·OH的反应速率都相当快,一般其反应速率常数>109mol-1·L·s-1,基本接近扩散速率控制的极限(1010mol-1·L·s-1),氧化反应速度是由?OH的产生速度来决定的。2.主要的高级氧化目前,主要的几种高级氧化方式有化学氧化、Fenton氧化、电化学氧化、光催化氧化、光助电催化、湿式空气氧化、超临界水氧化、超声波技术。2.1化学氧化化学氧化是使用化学强氧化剂将废水中的难降解有机物和无机物转化为微毒或无毒的物质。水处理中常用的化学氧化剂有ClO2,H2O2,NaClO2,KMnO4,Cl2,NaClO2,O3等。几种强氧化剂氧化能力的比较见表二。这些氧化剂产生的氧化反应的主反应都包括有自由基反应。林鑫海等对含硝基苯和苯胺的废水采用ClO2三相催化氧化技术进行处理,结果表明硝基苯的去除率均可以达到95%以上,COD的去除率在90%以上,苯胺也可以达到85%以上。毕会锋等使用NaC1O化学氧化处理酸性橙Ⅱ模拟的染料废水,发现在pH=10,NaClO与染料的摩尔比为18,温度为30oC,反应时间30分钟时,脱色率可达100%。如何寻求制备上述强氧化剂而不产生二次污染、操作简单、价格低廉,且氧化产物不具有毒性或只具有较小毒性是该技术发展的必由之路。2.2Fenton法Fenton法是利用催化剂、光辐射或电化学作用,使H2O2产生?OH处理有机物的技术。Fenton法基本上是沿着光化学和电化学两条路线向前发展的,因而也就包括了经典Fenton法、电Fenton法、光Fenton法。2.2.1经典Fenton法(1)Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH,K1=76L/(mol·s)(2)Fe3++H2O2→Fe2++HO2·+H+,K2=0.002-0.01L/(mol·s)(3)Fe2++·OH→Fe3++OH-,K3=3×108L/(mol·s)(4)H2O2+·OH→H2O+HO2·,K4=2.7×107L/(mol·s)(5)Fe3++OH-→Fe(OH)3(胶体)(6)·OH+org.→矿化产物(CO2、H2O)从反应式(1)到(6)中各式的反应速率常数分析可以得出,适当的增大Fe2+和H2O2的浓度有利于提高污染物的降解效率,但是过量的Fe2+和H2O2会成与·OH反应。因此,确定Fe2+和H2O2最佳比例的非常重要。此反应的优点是反应物Fe2+来源广泛,价格便宜,反应易于操作。缺点就是Fe2+和H2O2需要量较大;需要控制较低的PH值,通常在3左右,这样对设备的腐蚀较大;并且产生大量的Fe(OH)3污泥;同时处理后的水色度不能达标。2.2.2电Fenton法电Fenton法的实质是把用电化学法产生的Fe2+与H2O2作为Fenton试剂的持续来源。在酸性溶液中,在电极上通直流电时,首先O2在阴极通过还原反应产生H2O2,H2O2与溶液中的Fe2+按反应式(1)生成·OH和Fe3+,Fe3+可以在阴极上被还原再生成Fe2+;另外,以Fe作为阳极,Fe2+可以直接由阳极氧化溶解产生。所以电Fenton法相比经典Fenton法降低了Fenton试剂的用量。周珊等以活性炭纤维为阴极,铁为阳极,采用电Fenton法处理含4-氯酚的废水,在4-氯酚质量浓度为50mg/L,PH为4.5,电流密度为15.38A/m2条件下,4-氯酚去除率达到85.70%。2.2.3光Fenton法增加紫外光照射能有效的提高Fenton试剂氧化降解污染物的能力。反应机理见式(7)～式(9):(7)Fe3++H2O+hv→Fe2++H++·OH(8)H2O2+hv→2·OH(9)RH+hv→降解产物所以光Fenton与经典Fenton法相比,具有如下优点:①降低了Fe2+的用量,保持H2O2较高的利用率;②紫外光和Fe2+对H2O2催化分解存在协同效应;③此