电芬顿法(EFP,Electro—Fenton Process)是利用电化学法产生的H2O2和Fe2+作为芬顿试剂的持续来源,两者产生后立即作用而生成具有高度活性的羟基自由基(•OH),使有机物得到降解,其实质就是在电解过程中直接生成芬顿试剂。
由于受到技术、设备制约,可能只是用电化学方法产生其中的一种药剂(Fe2+或H2O2),另外一种需要由外部加入,这一类型目前也被归纳为电芬顿技术。
一、电芬顿原理
电芬顿法(EFP,Electro—Fenton Process)是利用电化学法产生的H2O2和Fe2+作为芬顿试剂的持续来源,两者产生后立即作用而生成具有高度活性的羟基自由基(•OH),使有机物得到降解,其实质就是在电解过程中直接生成芬顿试剂。
由于受到技术、设备制约,可能只是用电化学方法产生其中的一种药剂(Fe2+或H2O2),另外一种需要由外部加入,这一类型目前也被归纳为电芬顿技术。
二、芬顿法与电芬顿法技术比较
传统的芬顿法是在废水中直接加入Fenton试剂,这种方法存在较多问题和不足,使之难以广泛应用:
(1) 需要现场加入Fe2+和H2O2,药剂消耗量大,处理成本高;
(2) 投加到反应器中的H2O2会分解为水和氧气,浪费了氧化剂;
(3) 由于Fe2+和H2O2在反应开始前一次性加入,导致反应过程中•OH产生速率衰减很快,反应初期有机物的降解速率很快,然而随着反应的进行,一些竞争性反应消耗了大量•OH,使得有机物的降解速率很快降低,处理效果明显下降,同时一些中间产物也得不到彻底的降解;
(4) 反应初期加入的Fe2+转化为Fe3+后,整个氧化过程变的相当缓慢;
(5) 产生的污泥量大,需要进一步处理,并可能引起二次污染。
与传统芬顿法相比,电芬顿法的独特优点如下:
(1)不需或只需加入少量化学药剂,可以大幅度降低处理成本;
(2)处理过程清洁,不会对水质产生二次污染;
(3)设备相对简单,电解过程需控制的参数只有电流和电压,易于实现自动控制;
(4)电芬顿法中H2O2和Fe2+ 以相当的速率持续的产生,可保证长时间持续有效的降解,有机物能得到更加完全的氧化,污泥量少,后处理简单;
(5)有机物降解因素较多,除羟基自由基的氧化作用外,还有阳极氧化、电吸附等,所以处理效率比传统芬顿法高;
(6)占地面积小,处理周期短,条件要求不苛刻;
(7)易于和其它方法结合,便于废水的综合治理。
国内外学者的相关实验和研究报告一致结果是:电Fenton的处理效率高于传统Fenton法和直接电解法。
三、电芬顿法技术研究现状
电芬顿法的研究始于 20世纪80年代,国内外众多学者采用电芬顿法处理各种难降解有机废水,取得了很好的效果。根据报道,只要是用电化学方法在水处理现场合成其中一种药剂(Fe2+或H2O2),另外一种由外部加入,都被称为电芬顿技术。电芬顿法可按Fe2+和H2O2产生方式的不同,分为不同类型。综合国类外文献 ,根据H2O2、Fe2+来源途径不同,电Fenton反应法可分为6类:
1. Fe3+循环法;其原理是通过电解将Fe3+还原为Fe2+ ,外加H2O2,形成芬顿反应,反应器与电解还原设备分离独立。该法的缺点是pH操作范围窄,pH必须小于1。
2. EF-FeRe( Electro-Fenton -Ferric Reduction);该法原理与1基本相同,H2O2要依靠外加,不同之处在于Fenton反应直接在电解装置中进行。该法pH必须小于2.5。
3. EF-FeOx (Electro-Fenton -Ferrous Oxidation);该法又称牺牲阳极法。铁板为阳极,阳极电解将铁氧化成Fe2+,与加入的H2O2发生Fenton反应。
4. EF H2O2- FeRe (Electro-Fenton - H2O2- FeRe);其原理是H2O2和Fe2+均在阴极上现场生成,进而发生Fenton反应。
5. EF-H2O2 - FeOx(Electro-Fenton - H2O2- FeOx );在这种体系下H2O2在阴极产生,Fe+2 由牺牲阳极提供,进而发生Fenton反应。
6.EF-H2O2 (Electro-Fenton - H2O2);该方法又称阴极电Fenton法,一般采用碳质材料做阴极,不溶性阳极做对电极。把氧气喷到电解池的阴极上,使之还原为H2O2,Fe2+由外部加入。
从已见报道和对国内外查新结果分析,目前已有的技术产品基本上都是利用电化学技术合成其中的一种药剂。国内目前尚未见Fe2+和H2O2都在现场持续产生的工业级废水处理设备产品的报道。
四、电芬顿法存在的问题与发展趋势
上述方法大多为电化学方式产生一种药剂(Fe2+或H2O2),另外一种由外部加入。Fe3+循环法、EF-FeRe法和EF-FeOx法处理有机废水效果好,但成本比普通Fenton法高。EF -H2O2- FeRe法、EF-H2O2法、EF—H2O2 – FeOx法虽在阴极上可自动产生H2O2,但因反应物O2的浓度和传递速度受阴极材料和电极结构的限制,电化学还原O2生成H2O2的反应速度很慢,H2O2产量低,不适合高浓度污水的处理。要克服这一弊端,必须从根本上改变其阴极材料和电极结构,必须研究一种能现场高速高效合成 H2O2的新型阴极,这样的新型阴极将使电Fenton 法成为更具广泛实际应用意义的高级氧化水处理技术。
总体上说,目前对电芬顿法的研究正处于试验开发阶段,与其他电解水处理技术一样,电芬顿法的电流效率较低,限制了它的广泛应用,其关键是提高电化学产生H2O2的效率。电芬顿法的发展方向为合理设计电解池结构,加强对三维电极的研究,以利提高电流效率、降低能耗;加强对体系中阴极材料的研制,新阴极材料应具有与氧气接触面积大、对O2生成H2O2的反应起催化作用,以提高H2O2的产率。