利用Fenton反应降解废水中有机污染物-.docVIP

利用Fenton反应降解废水中有机污染物* 　　摘要：鉴于高中生了解H2O2的基本性质，并熟悉Fe2+和Fe3+相互转化的知识背景，介绍了利用H2O2和Fe2+性质的Fenton反应及其降解废水中有机污染物的基本原理，以及两种重要的应用技术，并举例介绍其降解除草剂2，4，5-三氯苯氧乙酸的研究。可供一线高中化学教师选用，以将现代化学内容引入中学化学教学。 关键词：Fenton反应；降解废水中的有机污染物；2，4，5-三氯苯氧乙酸的降解 文章编号：1005–6629（2013）11–0078–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B 水是生物体的重要组成部分。虽然地球上的总水量约有1.4×109 km3（14亿立方千米），但是其中人类能够利用的淡水却不到1%。每天都有大量的生活污水、工业废水产生，这些废水中往往含有大量的有机污染物，例如化工原料、农药、染料、药物、化妆品等。其中许多有机污染物非常稳定，难以降解却又对人体有极大的危害，可能致癌、致畸、致残。所以，人们一直在研究如何降解这些有机污染物。利用芬顿（Fenton）反应就是一种很好的处理方法。 生成的自由基可以继续反应，结果有机污染物最终转化为CO2、H2O及无机盐等小分子物质。 利用Fenton反应来有效地氧化有机物，使其降解，已成为一种很有前景的废水有机污染物处理技术。但是直接利用Fenton试剂来降解水中的有机污染物，有一些问题需要解决。例如，H2O2不稳定，属于易爆物品，存储和运输成本相对较高，同时也存在安全隐患[5]。又如，随着Fenton反应的进行，溶液的pH会增大。当pH上升到一定程度，体系中的Fe3+会大量水解，产生泥状沉积物，必须专门处理 [6]。这些沉积物虽然能够吸附有机物使其沉淀下来，因而有助于降解过程的进行。但是由于形成的沉积物呈絮状，导致沉降过程缓慢，处理效率低[7]。可以通过将pH控制在2.0～4.0的方法来使反应正常进行，这需要在反应前后调节pH，因此会耗费大量化学药品[8]。再如，Fe3+可与有机物降解产生的羧酸形成稳定络合物，·OH不能将其破坏，这对有机物的继续降解形成了干扰[9]。 2 Fenton反应的重要应用技术 为了解决上述问题，人们正在研究Fenton反应的应用技术，其中有2种重要的技术，即Fenton试剂与电化学技术结合的电Fenton技术和Fenton试剂与光照射结合的光Fenton技术。 电Fenton技术在实际应用中仍然存在一些缺点。例如，由于O2在水中溶解度低，使得H2O2的产生速率慢；要有效减少泥状沉积物的产生，要求体系保持强酸性条件，这会造成电极腐蚀，并降低电流效率[13]。由于这些限制，目前这种技术还处于实验室研究阶段。 该技术的主要缺点是使用紫外光会增加处理的成本[17]。研究者在尝试将可见光引入其中，但存在可见光利用率低的问题。此外，当废水中有机物的浓度较高 3 利用Fenton反应降解除草剂2，4，5-三氯苯氧乙酸 除草剂2，4，5-三氯苯氧乙酸（简称2，4，5-T）在世界范围内广泛使用，在此以它的清除为例介绍如何利用Fenton反应来降解废水中的有机污染物。该除草剂具有一些重大缺点，例如性质十分稳定，一般方法难以将其降解；有毒，能够通过食物链在生物体内累积，人长期接触可能致畸、致癌、致突变，急性中毒还可能危及生命；在除去杂草的同时也会杀死非有害植物。因此，清除废水中的2，4，5-T是一个重要的研究课题。 举一个利用Fenton反应来降解2，4，5-T的研究实例[19]。这个研究结合了电Fenton技术和光Fenton技术，以大大提高产生·OH的效率。具体的降解反应实验在一个电解池中进行，电解液中含有266 ppm（1 ppm为百万分之一）的2，4，5-T、浓度为1×10-3 mol·L-1的Fe2+以及0.05 mol·L-1的Na2SO4和H2SO4。在35℃下，以20 mL·min-1的速度通入O2，通以100 mA的电流，并以300～400 nm波长（最大波长360 nm）的紫外光辐射。 在实验条件下，联合使用的紫外光和电都促进产生·OH，使2，4，5-T有效降解，降解反应可表示为图2。首先，·OH与2，4，5-T的侧链反应，碳氧键断裂（见图2中虚线标示的键），生成2，4，5-三氯苯酚和羟基乙酸。这2个物质分别发生以下降解反应。 2，4，5-三氯苯酚发生4步降解反应，如图2中①～④所示。第一步（反应①），2，4，5-三氯苯酚上的对位和间位氯原子分别被·OH取代，形成2，5-二氯对苯二酚和4，6 -二氯间苯二酚，氯以氯离子的形式离去。第二步（反应②），上一步的2个产物经过·OH氧化和脱氯作用，苯环上的氯全部转化为氯