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，采用電芬頓法去處理降解廢水。同時，電芬頓法與三維電極電芬頓技術(shù)聯(lián)合起來，并且采用異相催化劑技術(shù)，對紡織染料廢水進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
中國作為紡織大國，其紡織能力在世界遙遙領(lǐng)先，不過印染、紡織和染料廢水的排放以及污染情況不容樂觀。據(jù)統(tǒng)計調(diào)查，廢水中每年大致含有2億m3的紡織染料。中國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、化學法等都能降解廢水，但是這些方法處理起來不是那么得心應手，紡織染料廢水中含有大量化學合成物，處理一旦不妥當或者哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，就會造成化學廢品的遺漏或者不慎排放都會導致環(huán)境被破壞和污染，同時對人類的生態(tài)環(huán)境造成了相當大程度的沖擊。如今，越來越多的研究者在降解有機廢水污染物中采用高級氧化方法。高級氧化的原理是利用•OH（羥基自由基）的強氧化能力，可以氧化廢水中有機污染物質(zhì)變成水和二氧化碳，并且達到降解廢水的效果[2]。高級氧化法有很多種類，本文主要闡述的是芬頓氧化法。1894年，來自法國的FentonHJ于實驗中偶然間發(fā)現(xiàn)了芬頓試劑，由此以他名字命名為芬頓氧化法。他在實驗中發(fā)現(xiàn)Fe2+能夠催化過氧化氫生成比H2O2具備更強氧化性的•OH[3]。
2電芬頓法
2.1電芬頓與傳統(tǒng)芬頓的比較
隨著時間的推移，實際廢水有機污染物的處理中已經(jīng)開始應用到芬頓高級氧化法。比如單寧和湯梅潔利用芬頓法對浙江省德清縣新安鎮(zhèn)某某紡織印染廠的生化出水進行了深度處理，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污染物的過程中消耗掉過多的試劑，浪費資源。而且過氧化氫極易分解，不宜久存，并且相關(guān)經(jīng)費極高，經(jīng)濟效益不是特別好。這時，電芬頓通過在陽極外加Fe2+，或者在適合的陽極生成Fe2+，可以相對降低相關(guān)費用，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，通過在陽極外加Fe2+，或者在適合的陽極生成Fe2+，陰極曝氣，電化學持續(xù)產(chǎn)生過氧化氫[5]。氧氣在陰極反應生成過氧化氫：1）Fe3+在陰極發(fā)生電化學反應被還原為Fe2+；2）Fe3+氧化溶液中的H202能夠與Fe3+反應生成Fe2+，實現(xiàn)鐵離子還原；3）Fe3+與體系中間產(chǎn)物HO2•反應實現(xiàn)Fe2+的還原；4）Fe3+氧化溶液中O2-與Fe3+反應，使Fe3+被還原成Fe2+；5）Fe3+和攜帶有鹵族自由基的一類有機物發(fā)生還原反應，實現(xiàn)Fe2+的循環(huán)。
2.3電芬頓法陰陽極的選擇
電芬頓具有一些優(yōu)點與優(yōu)勢[6]：①運行費用低，節(jié)能減排；②操作簡單；③處理效率好，節(jié)約資源；④無二次污染。電芬頓能在芬頓試劑法的基礎(chǔ)上更高效地降解有機廢水和去除有機污染物，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)，他們通過實驗結(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
3.1三維電極反應原理
OH，俗稱羥基自由基，它的氧化能力強，氧化電位很高，可達到2.8eV。它能夠與許多水中污染物質(zhì)發(fā)生反應，在沒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毒無害物質(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，從而達到高效地降解廢水中有機污染物的結(jié)果[10]，反應方程式如下：
3.2三維電極與電芬頓技術(shù)的混合
當今社會飛速發(fā)展，僅僅用一種方法來處理會帶來處理效果差等一系列問題，兩種或兩種以上的方法聯(lián)合使用被如今越來越多的學者加以研究。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)上采用電化學方法，溶液中的鐵離子和過氧化氫以一定速率持續(xù)產(chǎn)生，二者反應生成的羥基自由基的強氧化能力去除有機物和降解廢水[13]。艾智慧[14]等采用泡沫鎳、活性炭纖維為陰極，實驗結(jié)果表明三維電極電芬頓體系對廢水中有機污染物的去除率在30min時可達到99.00%，去除率比單獨采用的三維電極（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始還是由法國科學家FENTON[15-16]發(fā)現(xiàn)的。均相催化劑研究時間早，發(fā)現(xiàn)問題自然也很多：①對色度產(chǎn)生一定的影響，且影響不可逆；②pH范圍過于狹窄；③Fe催化劑會發(fā)生絡(luò)合反應而最終失活。
4.2異相催化劑
為了解決均相催化劑的一系列問題，人們開始著手研究異相催化劑的使用功能特點。異相催化劑pH作用范圍廣，研究體系并未十分成熟，所以學者傾向于研究異相電芬頓法處理廢水中的有機物。WANG[17]和ZHONG[18]等使用零價鐵作為異相芬頓試劑來處理廢水，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附著到相應的載體上面，并成為電極材料，通過各種反應最終制成異相催化劑。電解過程中陰極產(chǎn)生H2O2與陰極表面的Fe反應生成•OH。由于Fe做陰極的試驗研究過早，并無特別多的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)階段學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
三維電極電芬頓法對含有難降解有機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。加入其他金屬元素可以得到與Fe不一樣的處理廢水有機污染物的效果。而想用三維電極電芬頓法處理紡織染料廢水，可以首先對電極材料進行選擇，例如研究Fe/Fe電極和C/C電極材料對H2O2濃度的影響，研究兩種電極材料對紡織染料廢水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、曝氧氣強度、極板間距、pH值下對紡織染料廢水COD的去除效果。最后對比異相與均相三維電極電芬頓在不同電解質(zhì)濃度、曝氧氣強度、極板間距、pH值下對紡織染料廢水COD的去除效果。
作者：劉瑞文 李亞峰 單位：沈陽建筑大學
