芬頓法在水處理中的發展與現狀

高崇，李亞峰，龔飛銘

芬頓法在水處理中的發展與現狀

高崇，李亞峰，龔飛銘

（沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

隨著水處理技術的不斷優化，針對污水中的有機污染物難以降解的問題，芬頓氧化法被廣泛用于各種難降解廢水的處理中。從均相芬頓法和非均相芬頓法兩個方面介紹了不同種類的芬頓氧化法的發展現狀以及技術特點。均相芬頓氧化法主要介紹了電-芬頓法、光-芬頓法、微波芬頓氧化法、超聲波芬頓法；非均相芬頓氧化法主要介紹了有機載體催化劑體系、無極材料負載型催化劑以及鐵氧化物負載催化劑，并提出了一些建議和展望。

均相芬頓；非均相芬頓；有機物降解

1 芬頓氧化技術簡介及其機理

芬頓氧化法是高級氧化法中的一種，與其他的氧化體系相比，芬頓氧化體系對含有難降解的有機污染物的廢水處理效果更好，該方法適用于生物難降解的廢水或者常規的化學氧化法難以有較好的處理效果的廢水。簡單的芬頓試劑是由Fe2+和H2O2組成的，反應體系中的Fe2+和H2O2所產生的·OH氧化能力很強，電子親和力也很強，·OH通過復雜的鏈式反應產生更多的活性氧，能夠很有效地降解污水中的有機污染物，將這些污染物礦化成CO2和H2O等一些無機物[1-2]。

2 均相芬頓氧化技術

由于傳統的芬頓氧化技術在處理廢水時對H2O2的利用率不高而且對有機污染物的礦化程度不夠，針對上述的明顯缺陷，通過對普通芬頓式劑改變條件或添加一些耦合反應，將電化學、紫外線和超聲波等添加到芬頓氧化體系中，研究出了不同體系的均相芬頓氧化技術。

2.1 電-芬頓法

電-芬頓法是在傳統的芬頓試劑上構建原電池體系，該芬頓試劑的主要來源是由電化學的方法產生反應所需的Fe2+和H2O2。該體系通過曝氣或充氧的方法，讓氧氣進入到溶液中之后在陰極產生H2O2，為該體系提供源源不斷的H2O2。電-芬頓法可以通過自身的電化學反應產生H2O2，相比傳統的芬頓法避免了外加投放H2O2，降低了操作的危險性，同時減少了污泥的產量。宋東寶[3]等利用電-芬頓法降解水中的亞甲基藍，結果表明，電-芬頓法去除亞甲基藍有著十分好的效果，相比傳統電化學氧化去除率可提高31.6%。

2.2 光-芬頓法

光-芬頓法是將單色紫外光或復色的太陽光加入到傳統的芬頓體系中，其機理是通過紫外光或可見光的光輻射下，體系中的OH-可以快速地產生·OH，Fe3+同時被還原成Fe2+，使得該體系可源源不斷地產出芬頓試劑。通過光的直接照射，體系中的H2O2可快速產生·OH，提高了體系中H2O2的利用率，十分有效地促進了芬頓體系降解污染物的速率。付軍[4]等將日光-非均相Fenton光催化體系運用到降解喹啉的試驗中，相比傳統的芬頓反應，該日光芬頓體系中可以更快地促進羥基自由基的產生，使得喹啉去除率由45%提高到了99%。

2.3 微波芬頓氧化技術

微波是一種電磁波，穿透力強是其優點，在反應中可以使分子的化學鍵強度降低，還可以降低反應中的活化能，可以使體系反應時的活性有很大的提高，將微波技術與芬頓體系相結合可以提高對有機污染物的降解速率，在芬頓體系中可直接用微波輻射污水實現污染物的降解。齊旭東[5]等研究了微波輔助類芬頓技術處理合成類制藥廢水，通過實驗研究結果表明，該技術處理廢水效果好，在反應中過氧化氫的使用量較低，初始反應時不需要進行酸化，所以有著較短的反應時間。

2.4 超聲波芬頓法

將超聲波與傳統芬頓法相結合，超聲波的空化效應、高溫熱解效應和機械效應可以將體系中的H2O2和H2O分解成·OH，當與芬頓試劑結合時可以加速分解的速率。機械效應可以使芬頓試劑均勻地分散到溶液中，起到了傳遞溶質和攪拌的作用。超聲波強化芬頓技術有著藥劑的用量少、H2O2利用率高等優點，擴大處理時的pH范圍，該方法在水處理中具有較好的應用前景。李光明[6]等利用超聲強化均相和非均相芬頓催化降解水中羅丹明B，在最佳反應條件下，去除率分別為99.86%和94.43%，可以對目標污染物持續降解。

3 非均相芬頓催化氧化

非均相芬頓氧化技術是在傳統的均相芬頓氧化法中將鐵離子以及其復合物負載到其他不同材料的載體上，通常是加入制備成的非均相芬頓催化劑，用含有Fe2+的固態催化劑來代替傳統液態Fe2+的一種技術[7]。這樣可以極大地避免了均相芬頓氧化技術中催化劑不能回收、污泥產量高、鐵離子導致體系內催化劑失活造成二次污染等缺點。催化劑的載體類型主要為有機載體、無機載體和鐵氧化物載 體[8]。

3.1 有機載體催化劑

3.1.1 離子交換膜芬頓體系

Nafion膜是一種常用的載體，屬于陽離子交換膜，該物質有抗腐蝕、抗熱等優點，還具有較高的強度。將Nafion膜運用到芬頓體系中可以大大地改善處理效果，用離子交換膜固定亞鐵離子，對污水的催化氧化效率有著明顯的提高。Kiwi將Nafion膜負載Fe2+用于紫外光降解污水中的有機污染物的研究，降解速率得到了很大的提高[9]。在水處理中使用該體系可以在較寬的pH范圍內進行，催化劑反復使用率高，溶液中的鐵離子不容易溶出，但該體系由于離子交換膜的成本較高，極大地限制了其推廣和應用。

3.1.2 活性炭催化劑體系

活性炭是一種化學性質穩定的物質，有著極好的耐熱性、耐酸性和耐堿性。將活性炭用作芬頓試劑催化劑的載體可以有效地提高降解污染物的速率?；钚蕴康谋缺砻娣e較大，其內部的微孔組織為該物質提供了強大的吸附力，活性炭被廣泛的用作催化劑的載體。該體系可以擴大處理時的pH范圍而且處理時有較高的穩定性和重復使用性。周丹[10]等運用活性炭作為鐵催化劑的載體降解BPA，載體的表面活性組分高而且催化劑負載十分均勻，催化劑性能連續且穩定。其他的碳基材料如石墨烯和碳納米管也可作為非均相類芬頓催化劑，也有著較好的處理效果。

3.1.3 半導體材料催化劑體系

半導體材料作為催化劑載體常與光-芬頓氧化技術結合使用，半導體材料加入光-芬頓氧化體系可以提高紫外可見光的使用，半導體在光催化體系中對污染物的降解率非常高，半導體材料用于光芬頓技術已經成為近些年的研究熱點。常用的半導體材料有TiO2和ZnO。

3.2 無極載體催化劑

3.2.1 分子篩-芬頓體系

分子篩是一種內部孔隙均勻的晶體泡沸石，具有良好的選擇吸附性，作為催化劑載體時，它可以利用自身晶體里的陽離子來控制或者改變其催化效能的活性。分子篩還具有離子交換性，可以很容易的將金屬的組分均勻地分布在晶體間。徐杰[11]等將分子篩作為負載鐵催化劑的載體，對活性艷藍做脫色處理研究，脫色率可達到92%。陳嫻[12]等將Fe2+和Cu2+負載到NaY分子篩上，制備了非均相催化劑，研究對苯酚的催化氧化性能，通過試驗研究表明，在最佳反應條件下，對苯酚的降解率達到99.07%。反應中催化劑性能穩定，并且可以循環使用。

3.2.2 層狀黏土礦物-芬頓體系

層狀黏土作為一種土狀礦物也可以作為催化劑載體，高嶺土是其主要成分。黏土中一般含有氧化鐵等雜質，具有很好的吸附性和離子交換能力，研究人員經常將該物質作為鐵離子的載體。蒙脫石這種天然的硅鋁酸鹽常用于反應中的催化劑載體，其優點是內部含有獨特的層狀結構。趙超[13]等用蒙脫石K10作為負載Fe的異相催化劑（Mot-Fe），并將其用于羅丹明B和2,4-二氯苯酚的降解實驗中，通過研究表明該催化劑對降解羅丹明B有著較大的提高，反應300 min脫色完全，總有機碳的去除率達到了85.2%。

3.3 鐵氧化物-芬頓體系

鐵和鐵氧化物也常用于催化劑載體。針鐵礦和赤鐵礦這些氧化鐵礦物只能在較低的pH下作為芬頓反應催化劑降解有機污染物。通過多次的科學實踐研究發現，氧化鐵礦物中的磁鐵礦作為非均相芬頓催化劑處理效果是最好的，磁鐵礦具有磁性，在反應結束后可以很容易的分離出來。黃詩琪[14]等將磁鐵礦制成磁鐵礦粉/磷酸銀復合光催化劑，將其用到光催化性能的試驗研究中，通過研究發現，這種復合光催化劑具備磁性易回收的特性，還具有高效降解水中有機染料的能力，在水處理中應用前景較好。

4 結束語

芬頓氧化法被廣泛運用到水處理中，不管是均相芬頓氧化法還是非均相芬頓氧化法都能提高有機污染物的降解率。針對不同種類的污水可以選擇不同種類的芬頓氧化技術來處理。但芬頓氧化技術在實際的水處理中仍然有很大的發展和提升空間，非均相芬頓技術處理效果和應用率優于均相芬頓技術，為了能實現大規模的工業化，降低反應的成本，研究和尋找更加高效經濟的催化劑載體成為未來研究的重點。同時環境影響和改造升級方面的潛力決定了該技術能否大規模運用。因此，加強對非均相芬頓催化劑載體的選擇，并在其他方面進行優化升級將其推向工業化的運用，是今后努力的方向。

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Development and Current Situation of Fenton Method in Water Treatment

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（School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

With the continuous optimization of water treatment technology, Fenton oxidation method is widely used in the treatment of various refractory wastewater in order to solve the problem that the organic pollutants in the sewage are difficult to degrade. In this article, the development status and technical characteristics of different types of Fenton oxidation methods were introduced from two aspects: homogeneous Fenton method and heterogeneous Fenton method, including electro-Fenton method, photo-Fenton method, microwave Fenton oxidation method, ultrasonic Fenton method in the homogeneous Fenton oxidation method, and organic carrier catalyst system, electrodeless material supported catalyst and iron oxide-supported catalyst in the heterogeneous Fenton oxidation method. At last, some suggestions and prospects were put forward.

Homogeneous Fenton; Heterogeneous Fenton; Organic matter degradation

遼河流域水污染治理與水環境管理技術集成與應用（項目編號：2018ZX07601001）。

2020-10-22

高崇（1996-），男，山西省太原市人，碩士研究生， 2019年畢業于沈陽建筑大學給排水科學與工程專業，研究方向：污水處理理論與技術。

X703.1

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1004-0935（2021）03-0372-03