电芬顿水处理技术最新研究进展

电芬顿水处理技术最新研究进展 电芬顿水处理技术最新研究进展 摘要:在各种高级氧化技术中，芬顿法倍受人们的青睐。而电芬顿作为一种新型电化学氧化技术，由于它在阴极和阳极都能产生羟基自由基(?oh)氧化降解水体中污染物，引起了学者们广泛地关注。本文主要介绍了近年来电芬顿水处理技术的国内外最新研究进展，并展望该技术的应用前景。 关键词: 电芬顿;水处理技术;羟基自由基 中图分类号: x703 文献标识码:a 文章编号:1007-0370(2011)11-0182-01 前言 电芬顿法(ef)是以电化学法产生的fe2+和(或)h2o2作为芬顿试剂的持续来源，降解污染物的一种处理技术。其优点是:自动产生芬顿试剂的机制较完善，致使有机物降解的因素较多，除?oh的氧化作用外，还有阳极氧化、电吸附等。此法以设备简易、降解能力强、电耗低而被广泛研究。 1 作用原理 芬顿反应由fe2+和h2o2之间的链式反应催化生成?oh，其中fe2+主要是作为反应的催化剂，而h2o2通过反应产生的?oh则起到氧化作用。基本作用原理如下: h2o2+fe2++h+?fe3+?oh+h2o 在ef法中，通过还原溶解氧获得h2o2，如式所示，而生成的h2o2再与fe2+发生fenton反应，产生?oh，fe2+可由外部投加或通过 阳极氧化获得。 o2+2h+2e-?h2o2 fe3++e-?fe2+ 2 电芬顿技术在水处理中的研究进展 目前ef法研究的主要进展包括:对电极材料的研制;协同氧化技术;电解池结构开发;催化剂的研究。 2.1 电极材料 电极材料的研究一直都是电化学氧化的热点。阳极材料研究集中在对pt和涂布硼砂的金刚碳(bdd)以及其他具有高析氧电位的惰性材料为主。而阴极材料主要发生两电子还原反应，目前研究较多的有:多孔石墨、碳-ptfe、活性炭纤维(acf)等。 通过在纯ti网经电镀形成一层多孔结构的tio2膜后将其作为阳极，与网状波碳阴极构成了ef反应系统对污染物具有很好的去除效果。在ph值3.0条件下用pt和bdd氧化水杨酸，其中pt的(oh)-o-反应中心不如bdd的降解污染物能力强。有研究实验表明:降解效率依次是pt/碳接触电极>bdd/碳接触电极>pt/氧扩散电极>bdd/氧扩散电极。在阴电极研究方面，石墨、石墨-ptfe电极由于其较强的吸附催化性能而得到广泛应用。acf同样作为一种具有较高吸附性能的碳类电极材料。比石墨电极具有更大比表面积，能产生更高浓度的h2o2。此外，聚吡咯导电聚合物电极，在中性ph条件下能提高h2o2的生成量。一种新颖的以脱乙酰壳多糖络合铁为催化剂的夹层电极，也具有较好的稳定性和催化性，并且能够重复利用。 此外，纳米材料电极在ef系统中也有应用。 2.2 ef协同氧化技术 目前，利用电和光协同反应具有较好前景。在普通fenton法的基础上，通过外加电流，紫外光，两种作用加速了活性氧化物质的产生，从而达到快速深度地降解有机物的效果。 brillas等[1]在这个方向做了大量的工作。他们分别研究了直接阳极氧化法，二氧化钛光催化，ef法、光电fenton法(pef)的降解效果。结果表明，pef法无论是降解速率还是toc去除率均优于其他3种方法。主要原因是紫外光的照射可以有效地加速ef氧化过程中产生的一些稳定的中间产物的降解，可将目标污染物可完全矿化为co2，反应时间缩短，消耗的h2o2大为减少。此时，除发生均相的ef反应，还同时发生非均相的光催化反应，矿化效率比单纯的ef要高。而且紫外光和太阳光均能完全使目标物矿化，在降解速率方面，太阳光略快于uva，且工业上成本低。除了将光引入ef系统，最近还出现了将超声波或等离子等技术引入ef系统。这两种技术均能够提高h2o2的产量，提高对水体中污染物的降解效率。但是超声引入，在对不同的污染物，效果不同，由于超声波的排气效应，辐射能量不宜过高。 2.3 电解池结构研究 目前的研究中最常见电解池是阴阳极一体式电解系统。此外，还有一种在电极之间区域填充颗粒状工作电极的三维电极系统。 三维电极装置设置包括阳极区填充表面负载掺sb的sno2的多孔 钛，阴极区填充网状玻璃态碳，中间以nafion膜隔开。有机物在阳极区域直接降解;在阴极区通过ef法被氧化。也有研究对实际染料废水做了类似的尝试，其在阴极室填充了一些石墨拉西环，在底部输入溶液和氧气。他们对影响实验降解效果的几个参数:电解时间、电流密度、曝气强度、亚铁离子浓度、温度以及ph值等条件做了测定。 总体来讲，国内外对微电极产?oh的研究还不深入。所以有必要深入研究三维电极反应器内的粒子电极电位分布、电场分布以及变化规律、颗粒的物理化学性质对有机物降解等规律。 2.4 其他类型催化剂的研究 除fe2+对h2o2具有催化作用外，fe3+、cu2+、mn2+、co2+等其他一些均相金属离子与铁粉、石墨、铁锰的氧化矿物同样具有类似的功能。因此，有不少研究者将对催化剂的研究从fe2+转移到其他一些离子和过渡金属上。 一般来说，过渡金属具有良好的催化性能，包括mn、v以及过渡金属氧化物等，相比于fe2+，这些替代催化剂具有更好的催化效果，更容易在反应过程中得到再生。例如以fe2+和mn2+作为催化剂对比，前期fe2+比mn2+的降解效果更好，但在后期mn2+反而比fe2+的效果更好。这主要是由于mn3+更易转化mn2+，在后期水溶液中仍可以产生大量的?oh。类似地，cu+/ cu2+体系比fe2+/ fe3+体系的有机物降解效率更高，矿化也更快，但也更耗电;而以co2+为催化剂显示出如下优势:更低的催化剂需求量、更快的反应速率 和更为接近中性的反应条件，这些优势，对于推广ef法的应用是非常重要的意义。还有研究将高铁矿(α-feooh)作为铁源引入ef系统中[2]。结果发现，由于高铁矿系统比ef系统具有更长久稳定的催化作用，在后期，gef比sef的催化效果更佳。另外，有报道利用fe2+还原为零价为fe沉积在acf电极上，经空气氧化生成fe2o3固态催化剂，这种非均相催化能够在中性条件下取得良好的降解效果。 3 ef技术在难降解废水处理中的应用展望 ef法处理废水的研究已开展了近30年，但有关这方面的研究报道主要还处于试验可行性研究阶段，目前还较少见到成功应用的实际废水处理装置的报道，要真正实现ef法工业化应用还有很多工作要做。 在反应机理方面，研究者们的共识还是基于传统芬顿反应的基本原理，而实际上，有机物的ef降解机理很复杂，包括复杂的电化学原理和催化原理等多种机理。真正认清ef法的降解机理是该技术实现实用化突破的第一步。另外，研制出对o2生成h2o2具有高效催化性能的阴极材料;提升电极材料的催化性能、电流效率，从而提高ef系统的产?oh的能力，降低能耗，以及扩大其使用的ph值范围是ef法今后的主攻方向。 参考文献 [1]brillas, e., et al., degradation of the herbicide 2,4-dp by anodic oxidation, electro-fenton and photoelectro-fenton using platinum and boron-doped diamond anodes. chemosphere, 2007. 68(2): p. 199-209. [2] sanchez-sanchez, c.m., et al., goethite as a more effective iron dosage source for mineralization of organic pollutants by electro-fenton process. electrochemistry communications, 2007. 9(1): p. 19-24. 改进电fenton法处理印染废水[j].常熟高专学 [3] 徐桦,黄海云. 报,2004年04期. 收稿日期:2011-09-30 作者简介:李华亮(1983-)，男，博士，研究方向:电力环境保 护.