雙氧水在水處理中的應(yīng)用p

1、雙氧水在水處理中的應(yīng)用 摘要： 近年發(fā)展起來的高級氧化技術(shù)(Advanced Oxidation Processes，簡稱AOPs)把氧化性極強(qiáng)的OH(氧化還原電位為2.8V)作為氧化劑，能夠使絕大多數(shù)有機(jī)污染物完全礦化或部分分解，因此具有很好的應(yīng)用前景。 過氧化氫由于其氧化性強(qiáng)、安全、易得，故為高級氧化技術(shù)中的常用氧化劑，它在一定觸媒(如Fe2+、UV等)以及其他氧化劑(如O3)的作用下，可以產(chǎn)生氧化性更強(qiáng)的OH，使有機(jī)物氧化得以降解。而且因過氧化氫的分解產(chǎn)物是水和氧氣，故不會產(chǎn)生新的污染物。 過氧化氫高級氧化技術(shù)的反應(yīng)體系主要包括Fenton試劑、UV/H2O2、H2O2/O3、UV/H2

2、O2/O3等。1 Fenton試劑Fenton試劑由亞鐵鹽和過氧化氫組成，當(dāng)pH值足夠低時，在Fe2+的催化作用下過氧化氫就會分解產(chǎn)生OH，從而引發(fā)一系列的鏈反應(yīng)。 Fenton試劑在水處理中的作用主要包括對有機(jī)物的氧化和混凝兩種作用1、2。Fenton試劑能不同程度地去除水體中的有機(jī)污染物，如在處理飲用水中的4種三鹵甲烷的動力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)3：對不同濃度的溴仿，當(dāng)pH=3.5時H2O2和Fe2+的最佳摩爾濃度比為3.71.9。不同起始濃度的溴仿在3min時降解率達(dá)65%85%，降解機(jī)理符合準(zhǔn)一級動力學(xué)，氯仿未發(fā)生降解。Sheng等4對兩種陰離子表面活性劑ABS和LAS的去除試驗表明，該體系的最

3、佳運行條件為90mg/L的FeSO4、60mg/L的H2O2、pH值為3左右，運行50min后對ABS和LAS的去除率均達(dá)95%以上。近期研究表明，利用Fe()、Mn()等均相催化劑以及鐵粉、石墨、鐵錳的氧化礦物等非均相催化劑同樣可使H2O2分解產(chǎn)生OH，達(dá)到氧化去除有機(jī)污染物的效果5、6。當(dāng)有光輻照(如紫外光)時，F(xiàn)enton類試劑氧化性能有所改善(尤其是對污染物質(zhì)濃度較高的水溶液)7、8。當(dāng)用Fe()代替Fe()時，由于Fe()是即時產(chǎn)生的，可以減少OH被Fe()還原的機(jī)會，從而大大提高OH的利用效率。若在該體系中加入某些絡(luò)合劑(如C2O2-4、EDTA等)，可增加對有機(jī)物的去除效果。Ma

4、rianne研究了在模擬日光光照下草酸鹽對Fenton體系氧化阿特拉津的影響，結(jié)果顯示當(dāng)草酸鹽濃度較大時，阿特拉津的降解速率較快；當(dāng)沒有草酸鹽存在時，阿特拉津僅在pH4.1時發(fā)生降解，且降解速率慢。這是因為草酸與鐵形成的絡(luò)合物控制著溶液中鐵的形態(tài)分布，對溶液的pH值也有一定的影響，同時作為OH捕獲劑的草酸也影響著體系的氧化效率。大量試驗研究表明，F(xiàn)enton試劑或Fenton類體系可以用于分解很多有機(jī)物，如五氯酚、酚、三氯乙烯、偶氮類染料、硝基酚、氯苯、芳香胺、三鹵甲烷、米吐氯、甲基對硫磷、表面活性劑等。影響Fenton試劑反應(yīng)的主要參數(shù)包括溶液的pH值、停留時間、溫度、過氧化氫及Fe2+的濃

5、度，操作時pH值不能過高(24之間)。2 UV/H2O2UV/H2O2體系對有機(jī)物的去除能力比單獨用過氧化氫或紫外光更強(qiáng)。對氯代酚類化合物的處理試驗表明9，當(dāng)所采用光的波長290nm、H2O2含量為55mg/L時，對2-氯酚、2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚去除效果均可得到提高，處理3h后的三氯酚去除率能達(dá)100%。該體系受處理水性質(zhì)的影響較大，如對阿特拉津的氧化試驗發(fā)現(xiàn)10，在15min內(nèi)阿特拉津的降解率可達(dá)99%，但當(dāng)溶液中存在HCO3-或腐殖酸時，由于它們對OH具有捕獲作用且腐殖酸能吸收紫外光，因此會導(dǎo)致對阿特拉津的降解速率明顯下降。Liao等對正氯丁烷的降解試驗表明，當(dāng)過氧化氫加量與

6、UV強(qiáng)度都增加時，正氯丁烷降解效率提高；但隨著溶液pH值的增大、總無機(jī)碳的增加、腐殖酸的出現(xiàn)，降解效率降低。 對UV/H2O2的氧化中間產(chǎn)物及機(jī)理的研究很少，Stefan等先后對丙酮、MTBE等的氧化途徑進(jìn)行了研究1114。試驗是在Rayox反應(yīng)器中進(jìn)行的(H2O2的濃度為16mmol/L)，丙酮降解的中間產(chǎn)物為丙酮酸、丙酮醛、羥基丙酮、甲酸、乙酸、草酸，經(jīng)過一段時間后礦化為水和二氧化碳。研究發(fā)現(xiàn)，生成的中間產(chǎn)物和丙酮對OH的競爭使丙酮降解速率比較慢。對MTBE的氧化試驗發(fā)現(xiàn)，MTBE能被完全礦化，其主要中間產(chǎn)物為被叔丁基甲酸、2-甲氧基-2-甲基丙醛、乙酸甲酯、丙酮、叔丁醇、甲醛，同時也有一

7、些羰基化合物和有機(jī)羧酸產(chǎn)生。在對1,4-雜二氧環(huán)己烷的降解機(jī)理研究中，Stefan發(fā)現(xiàn)其主要中間產(chǎn)物是一些甲醛、乙醛、乙二醛等醛類，甲酸、甲氧基乙酸、乙酸、水合乙醛酸、草酸等有機(jī)酸以及1,2-乙二醇的甲酸酯，并通過對溶液TOC與體系碳平衡的對比而證實。用過氧化氫和紫外光相結(jié)合的方法去除飲用水中三氯甲烷的試驗研究表明，在去除三氯甲烷的同時可減少飲用水中總有機(jī)碳含量，使水質(zhì)進(jìn)一步提高。利用UV/H2O2處理受四氯乙烯污染的地下水試驗表明，當(dāng)?shù)叵滤兴穆纫蚁┑臐舛葹?6227g/L時，去除率可達(dá)97.3%99%，其費用與活性炭處理相當(dāng)。此外對地下水中三氯乙烯的去除也有報道，可將三氯乙烯從300040

8、00g/L減少到0.680.83g/L，效果令人滿意。 UV/H2O2體系中，每一分子H2O2可產(chǎn)生兩分子OH，具有比Fenton試劑更好的費用效益比。與其他方法如Fenton試劑、吸附法相比，不僅能有效去除水中有機(jī)污染物而且不會造成二次污染，也不需要后續(xù)處理。3 H2O2/O3H2O2/O3體系是在飲用水中應(yīng)用最廣泛的高級氧化技術(shù)，因為只需向臭氧反應(yīng)器中加入過氧化氫即可。日本在20世紀(jì)70年代末開始研究，美國在80年代將其用于城市污水處理中 。 臭氧本身具有極強(qiáng)氧化性，能去除大量有機(jī)物，但對某些鹵代烴及農(nóng)藥等有機(jī)物的氧化效果較差，將臭氧與過氧化氫結(jié)合使用可大大提高氧化效率。例如O3在pH=2

9、時氧化氯苯速率很 慢(其動力學(xué)速率常數(shù)為0.063mol/(Ls)15，但用O3/H2O2氧化時，降解效率大大提高動力學(xué)速率常數(shù)為(45)109mol/(Ls)。H2O2/O3對農(nóng)藥 久效磷也具有很好去除效果，20min內(nèi)去除率達(dá)95%以上。Nelieu等在一個10L循環(huán)式反應(yīng) 器中對0.4610-5mol/L的阿特拉津氧化機(jī)理進(jìn)行了研究16，并且就加入臭氧的條件、O3/H2O2的比值、溶液pH值以及HCO3-離子的存在對中間產(chǎn)物形成的影響進(jìn)行了分析。 O3/H2O2對工業(yè)廢水的處理也具有一定效果。Beltran等研究發(fā)現(xiàn)，O3/H2O2在處理西紅柿加工廢水時對COD降解速率有較大提高17，當(dāng)

10、pH=6時COD的去除率為86%，但對于酒廠廢水則沒有效果。 飲用水方面主要集中在對地下水中鹵代烴處理的研究。1986年Aeita等人18對受三氯乙烯(TCE)和四氯乙烯(PCE)污染的地下水進(jìn)行的中試表明，過氧化氫與臭氧的聯(lián)合使用可提高臭氧進(jìn)入水中的質(zhì)量遷移(提高因子為1.7)，而且對TCE、PCE去除率為95%時所需要的臭氧量僅是單獨用臭氧處理時的56%64%。Duguet對去除地下水中苯化合物、鄰二氯硝基苯、2-甲基異丁醇、三氯乙烯和四氯乙烯進(jìn)行了試驗，均取得了較好效果。 與UV高級氧化法相比，O3/H2O2法不需要UV使分子活化，因此其主要優(yōu)點就是在濁度較高的水中仍然運行良好。4 UV

11、/H2O2/O3 UV/H2O2/O3對有機(jī)物的降解利用了氧化和光解作用，包括O3的直接氧化、O3和H2O2分解產(chǎn)生的羥基自由基的氧化、直接光解以及H2O2的光解和離解作用，這些作用在氧化有機(jī)物時的相對重要性取決于各種運行參數(shù)如(pH、UV光強(qiáng)和波長范圍、氧化劑之間及與有機(jī)物的比值)。 Zeff在1988年申請了UV/H2O2/O3法去除多種有機(jī)物的專利19。對200mg/L甲醇溶液在30min內(nèi)能使其DOC去除97%；在處理受氯甲烷、二氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、苯、氯苯、甲苯等污染的地下水時，60min內(nèi)對TOC的去除率達(dá)98%。對比試驗也顯示，UV/H

12、2O2/O3法比單獨使用UV、H2O2、O3及其兩者組合的氧化體系更為有效。Lewis等在處理受VOC、苯、甲苯、乙苯、二甲苯等污染的地下水時，研究了O3、H2O2、流速、UV輻照能對降解效率的影響，發(fā)現(xiàn)對VOC降解率可達(dá)98%，芳香化合物幾乎被完全降解。 臭氧化或高級氧化技術(shù)可以增加紡織廢水中有機(jī)物的可生物降解性，Ledakowicz研究了氧化法與生物處理相結(jié)合對紡織廢水的處理20，就不同氧化劑濃度對后續(xù)生物處理中 微生物生長的影響進(jìn)行了試驗，發(fā)現(xiàn)O3/UV和UV/H2O2/O3是最佳的生物預(yù)處理技術(shù)，對微生物的損害僅為10%。 垃圾滲濾液中含有大量有毒有害物質(zhì)，其中生物難降解有機(jī)物占有很大

13、比例。有資料表明，垃圾滲濾液經(jīng)生物處理后仍存在大量有機(jī)物質(zhì)，其中COD仍高達(dá)1290mg/L、TOC為378mg/L、TOX為1.3mg/L21。而UV/H2O2/O3法是去除TOX的最有效方法，對COD和TOC的去除率分別達(dá)83%、69%，作者還建議采用高壓汞燈作為光源。Wenzel利用高級氧化技術(shù)對含高濃度的氯酚、多環(huán)芳烴、PAHs等有毒有機(jī)物的垃圾滲濾液進(jìn)行了處理22，發(fā)現(xiàn)UV/H2O2/O3與UV/H2O2相比，對TOC的去除率能提高10%20%。5 在飲用水消毒中的應(yīng)用目前飲用水消毒中對ClO2、O3消毒進(jìn)行的研究很多，尤其是O3消毒已在很多水廠實施，但是當(dāng)水中有Br-存在時，O3消毒會產(chǎn)生可疑致癌物溴酸鹽，同時生成含溴副產(chǎn)物。 高級氧化技術(shù)為飲用水的消毒提供了一個新思路，利用AOPs產(chǎn)生的OH可消耗水中過量的O3，也可限制溴酸鹽的形成23，而且水中有H2O2存在時能使次溴酸(鹽)還原，從而減少溴酸鹽的生成。因此，通過調(diào)整H2O2/O3的用量可控制由溴化引起的副產(chǎn)物的生成。研究表明O3/H2O2也是有效的消毒劑24、25，Carmimeo等 使用H2O2/UV替換ClO2為未過濾水預(yù)消毒，能抑制消毒副產(chǎn)物的形成以及消毒后水中微生物的再生長。6 結(jié)語 由于過氧化氫高級氧化技術(shù)對有機(jī)污染物的非選擇性、強(qiáng)氧化性，在水處理中得到廣泛研究和應(yīng)用，但對其化