電芬頓法(EFP,Electro—Fenton Process)是利用電化學法產(chǎn)生的H2O2和Fe2+作為芬頓試劑的持續(xù)來源,兩者產(chǎn)生后立即作用而生成具有高度活性的羥基自由基(?OH),使有機物得到降解,其實質(zhì)就是在電解過程中直接生成芬頓試劑。
由于受到技術、設備制約,可能只是用電化學方法產(chǎn)生其中的一種藥劑(Fe2+或H2O2),另外一種需要由外部加入,這一類型目前也被歸納為電芬頓技術。
一、電芬頓原理
電芬頓法(EFP,Electro—Fenton Process)是利用電化學法產(chǎn)生的H2O2和Fe2+作為芬頓試劑的持續(xù)來源,兩者產(chǎn)生后立即作用而生成具有高度活性的羥基自由基(?OH),使有機物得到降解,其實質(zhì)就是在電解過程中直接生成芬頓試劑。
由于受到技術、設備制約,可能只是用電化學方法產(chǎn)生其中的一種藥劑(Fe2+或H2O2),另外一種需要由外部加入,這一類型目前也被歸納為電芬頓技術。
二、芬頓法與電芬頓法技術比較
傳統(tǒng)的芬頓法是在廢水中直接加入Fenton試劑,這種方法存在較多問題和不足,使之難以廣泛應用:
(1) 需要現(xiàn)場加入Fe2+和H2O2,藥劑消耗量大,處理成本高;
(2) 投加到反應器中的H2O2會分解為水和氧氣,浪費了氧化劑;
(3) 由于Fe2+和H2O2在反應開始前一次性加入,導致反應過程中?OH產(chǎn)生速率衰減很快,反應初期有機物的降解速率很快,然而隨著反應的進行,一些競爭性反應消耗了大量?OH,使得有機物的降解速率很快降低,處理效果明顯下降,同時一些中間產(chǎn)物也得不到徹底的降解;
(4) 反應初期加入的Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+后,整個氧化過程變的相當緩慢;
(5) 產(chǎn)生的污泥量大,需要進一步處理,并可能引起二次污染。
與傳統(tǒng)芬頓法相比,電芬頓法的獨特優(yōu)點如下:
(1)不需或只需加入少量化學藥劑,可以大幅度降低處理成本;
(2)處理過程清潔,不會對水質(zhì)產(chǎn)生二次污染;
(3)設備相對簡單,電解過程需控制的參數(shù)只有電流和電壓,易于實現(xiàn)自動控制;
(4)電芬頓法中H2O2和Fe2+ 以相當?shù)乃俾食掷m(xù)的產(chǎn)生,可保證長時間持續(xù)有效的降解,有機物能得到更加完全的氧化,污泥量少,后處理簡單;
(5)有機物降解因素較多,除羥基自由基的氧化作用外,還有陽極氧化、電吸附等,所以處理效率比傳統(tǒng)芬頓法高;
(6)占地面積小,處理周期短,條件要求不苛刻;
(7)易于和其它方法結(jié)合,便于廢水的綜合治理。
國內(nèi)外學者的相關實驗和研究報告一致結(jié)果是:電Fenton的處理效率高于傳統(tǒng)Fenton法和直接電解法。
三、電芬頓法技術研究現(xiàn)狀
電芬頓法的研究始于 20世紀80年代,國內(nèi)外眾多學者采用電芬頓法處理各種難降解有機廢水,取得了很好的效果。根據(jù)報道,只要是用電化學方法在水處理現(xiàn)場合成其中一種藥劑(Fe2+或H2O2),另外一種由外部加入,都被稱為電芬頓技術。電芬頓法可按Fe2+和H2O2產(chǎn)生方式的不同,分為不同類型。綜合國類外文獻 ,根據(jù)H2O2、Fe2+來源途徑不同,電Fenton反應法可分為6類:
1. Fe3+循環(huán)法;其原理是通過電解將Fe3+還原為Fe2+ ,外加H2O2,形成芬頓反應,反應器與電解還原設備分離獨立。該法的缺點是pH操作范圍窄,pH必須小于1。
2. EF-FeRe( Electro-Fenton -Ferric Reduction);該法原理與1基本相同,H2O2要依靠外加,不同之處在于Fenton反應直接在電解裝置中進行。該法pH必須小于2.5。
3. EF-FeOx (Electro-Fenton -Ferrous Oxidation);該法又稱犧牲陽極法。鐵板為陽極,陽極電解將鐵氧化成Fe2+,與加入的H2O2發(fā)生Fenton反應。
4. EF H2O2- FeRe (Electro-Fenton - H2O2- FeRe);其原理是H2O2和Fe2+均在陰極上現(xiàn)場生成,進而發(fā)生Fenton反應。
5. EF-H2O2 - FeOx(Electro-Fenton - H2O2- FeOx );在這種體系下H2O2在陰極產(chǎn)生,F(xiàn)e+2 由犧牲陽極提供,進而發(fā)生Fenton反應。
6.EF-H2O2 (Electro-Fenton - H2O2);該方法又稱陰極電Fenton法,一般采用碳質(zhì)材料做陰極,不溶性陽極做對電極。把氧氣噴到電解池的陰極上,使之還原為H2O2,F(xiàn)e2+由外部加入。
從已見報道和對國內(nèi)外查新結(jié)果分析,目前已有的技術產(chǎn)品基本上都是利用電化學技術合成其中的一種藥劑。國內(nèi)目前尚未見Fe2+和H2O2都在現(xiàn)場持續(xù)產(chǎn)生的工業(yè)級廢水處理設備產(chǎn)品的報道。
四、電芬頓法存在的問題與發(fā)展趨勢
上述方法大多為電化學方式產(chǎn)生一種藥劑(Fe2+或H2O2),另外一種由外部加入。Fe3+循環(huán)法、EF-FeRe法和EF-FeOx法處理有機廢水效果好,但成本比普通Fenton法高。EF -H2O2- FeRe法、EF-H2O2法、EF—H2O2 – FeOx法雖在陰極上可自動產(chǎn)生H2O2,但因反應物O2的濃度和傳遞速度受陰極材料和電極結(jié)構(gòu)的限制,電化學還原O2生成H2O2的反應速度很慢,H2O2產(chǎn)量低,不適合高濃度污水的處理。要克服這一弊端,必須從根本上改變其陰極材料和電極結(jié)構(gòu),必須研究一種能現(xiàn)場高速高效合成 H2O2的新型陰極,這樣的新型陰極將使電Fenton 法成為更具廣泛實際應用意義的高級氧化水處理技術。
總體上說,目前對電芬頓法的研究正處于試驗開發(fā)階段,與其他電解水處理技術一樣,電芬頓法的電流效率較低,限制了它的廣泛應用,其關鍵是提高電化學產(chǎn)生H2O2的效率。電芬頓法的發(fā)展方向為合理設計電解池結(jié)構(gòu),加強對三維電極的研究,以利提高電流效率、降低能耗;加強對體系中陰極材料的研制,新陰極材料應具有與氧氣接觸面積大、對O2生成H2O2的反應起催化作用,以提高H2O2的產(chǎn)率。