类Fenton 氧化在污染土壤修复中的应用研究.docVIP

类Fenton氧化在污染土壤修复中的应用 燕启社1,孙红文2,周长波3,徐晓阳2 1. 郑州大学化学系/环境科学研究院,河南 郑州 450052;2. 南开大学环境科学与工程学院,天津 300071;3. 中国环境科学研究院,北京 100012 摘要:传统的Fenton氧化要在酸性条件下进行,使用传统的方法处理污染土壤会造成土壤生态环境的破坏。为了保护生态环境,在不改变土壤pH值的条件下,利用铁盐和铁的氧化物矿石作催化剂催化H2O2氧化去除土壤中的污染物。研究结果表明:不同的催化剂催化氧化去除污染物的能力不同,可溶态的亚铁盐和铁盐催化效果比不可溶的固态铁矿石要好,其中可溶态的硫酸亚铁催化反应的效果最好,反应60 min后,污染物的最大去除率能达到65%以上;不可溶的铁矿石中磁铁矿的催化效果比赤铁矿要好些,污染物的去除率能达到55%以上。 关键词:类Fenton氧化;污染土壤;修复;芘 中图分类号:X131.3 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2008)01-0216-05 自从1894 年法国科学家Fenton[1] 发现Fenton试剂后,直到上个世纪70年代人们开始应用Fenton试剂去除废水中微生物难以降解的有机污染物,目前此方法已经进行了广泛的研究和应用。随着研究的深入,除了传统的Fenton试剂外,人们又发现改进型的Fenton试剂??类Fenton试剂,也可用于有机污染物的氧化去除,而这方面的研究还比较少,有待于开展更广泛的研究。 传统Fenton试剂指的是Fe2 +/H2O2 体系,其中Fe2 +主要是作为反应的催化剂,而H2O2通过在酸性条件下反应产生的?OH 则起到氧化作用,其反应如下[2]: Fe2++H2O2→Fe3++HO-+?OH1 Fe3++H2O2→Fe2++HO2?+H+ 2 2H2O2→?OH+HO2?+H2O3 上述反应中,反应1速度较快,Fe2+与H2O2迅速反应生成?OH,而反应2速度较慢,Fe3+与H2O2 缓慢反应生成Fe2+,这样通过Fe2+与Fe3+的不断转换,使反应得以顺利进行。因此该反应的控制步骤为反应2,若要提高反应速率,需将Fe3+快速还原成Fe2+。另外,由于产生的Fe3+不能被及时还原成Fe2+,从而会造成Fe3+的积累,使处理后的水带有颜色。反应1与反应2加和可得到反应3,由此可见,两个H2O2才产生一个?OH,说明H2O2的利用率比较低。 反应产生的?OH氧化能力极强,能在短时间内将废水中的有毒有害生物难以降解的有机物氧化分解或使其发生氧化偶合,从而提高废水的可生化性[3]。传统Fenton试剂的不足之处是主要有:反应过程需要酸性环境条件,这就对生态环境的危害比较大;另外H2O2的利用率低,有机物矿化不充分;处理后的水可能带有颜色,较难应用于饮用水的处理。 随着环境科学技术的发展,近二十年来,Fenton试剂派生出很多分支,人们把紫外光[4]、臭氧[5]等引入Fenton试剂,增强了Fenton试剂的氧化能力,节约了过氧化氢的用量。由于它们过氧化氢分解机理极其相似,均产生羟基自由基,因此,从一定意义上讲,可以把除传统Fenton试剂以外的通过催化H2O2产生羟基自由基的反应统称为类-Fenton反应[6],这种反应试剂也被称为类-Fenton试剂。类-Fenton试剂法处理有机污染物已成为目前环境科学工作者又一研究的热点。有研究发现在中性条件下类-Fenton反应不如在酸性条件下有效,但是由于其在中性自然条件下就能发生反应,对土壤生态环境危害较小,所以有潜在的应用价值。在处理污染土壤时,由于土壤中的污染物和水中的污染物相比,土壤中的有机污染物常常吸附在土壤中或者以非水溶相液体(NAPLs)的形式存在,这就影响Fenton氧化反应去除污染物的效率。因此在实际操作中由于要氧化去除吸附态的有机污染物常常加入大量的氧化剂(H2O2),氧化剂的摩尔数常常是污染物摩尔数的好多倍。利用类-Fenton试剂修复多环芳烃污染土壤的研究还少见报道。 为了考察类-Fenton氧化修复污染土壤的可行性,本章分别考察了四种铁的化合物(硫酸亚铁、硝酸铁、赤铁矿、磁铁矿)催化双氧水分解产生羟基自由基的类-Fenton试剂氧化处理多环芳烃污染土壤的效果,在不改变土壤酸碱性的条件下,考察了氧化剂量对去除率的影响;最后又对在不加催化剂的条件下处理染毒石英砂、染毒废水和染毒土壤进行了对比研究。 1 实验材料和方法 1.1 化学药品 硫酸亚铁(FeSO4?7H2O)、硝酸铁(FeNO3?9H2O),分析纯,天津市大茂化学试剂厂; 磁铁矿和赤铁矿为矿物质,天津市开发区乐泰化工有限公司; 氧化剂双氧水H2O2,分析纯,购自天津市大茂