电化学降解污染物（8）阴极还原

电Fenton 方法的特点与发展

一、原理

   电Fenton方法相对于传统Fenton方法有如下优点:

①H₂O₂可以电解方法现场生成,省去了添加H₂O₂的麻烦,同时避免了H₂O₂储存与输送中潜在的危险性;

②喷射到阴极表面的氧气或空气可提高反应溶液的混合作用;

③Fe²⁺可由阴极再生,铁盐加入量少,故污泥产量少;

④多种作用协同去除有机物,除电化学产物?OH的氧化作用外,还有阳极氧化、电絮凝和电气浮作用。

   电Fenton反应也存在两个缺点:一是电流效率低,H₂O₂产率不高;二是不能充分矿化有机物，初始物质部分转化为中间产物。这些中间产物或与Fe形成络合物,或与OH的生成发生竞争反应，并可能对环境造成更大的危害。

    针对电Fenton 反应的缺点，人们着重从两个方面入手提高电Fenton反应的效率:一是采用氧气接触面积大且对H₂O₂生成有催化作用的新型阴极材料。二是将紫外线引入电Fenton反应。其中将紫外线化学氧化和电化学氧化方法结合起来,达到协同去除有机物的技术最近成为电催化技术研究的热点。该技术在前面所述“电Fenton”工艺的基础上,再辅以紫外线辐射,从而形成“光电Fenton工艺(photo-electro-Fenton)。将紫外线引入电Fenton反应具有很多好处：如紫外线和Fe²⁺对 H₂O₂催化分解生成?OH存在协同效应,即 H₂O₂的分解速率远大于Fe²⁺或紫外线单独催化H₂O₂分解速率的简单加和。这主要是由于铁的某些羟基络合物可发生光敏化反应生成?OH所致,即在光照条件下铁的羟基络合体，pH为3~5左右,Fe³⁺主要以Fe(OH)₂⁺形式存在,有较好的吸光性能,并可以吸光分解,产生更多?OH,与此同时能加强Fe³⁺的还原,再生Fe(如式2-39所示)。其优点是能有助于维持Fe²⁺浓度而保证 Fenton 反应的不断进行,从而降低Fe²⁺的用量,保持H₂O₂较高的利用率。  

此反应与紫外线波长有关,随波长增加，?OH的量子产率降低,例如在313nm处?OH的量子产率为0.14,在360 nm处为0.017。此系统可使有机物矿化程度更充分，是因为Fe³⁺与有机物降解过程中产生的中间产物形成络合物是光活性物质,可在紫外线照射下继续降解。 

二、 特点

电Fenton方法是一种先进的氧化技术，它结合了电化学和Fenton过程的优点，用于处理难降解的有机废水。电Fenton法的特点和发展如下：

1. 原位生成H₂O₂和Fe²⁺：电Fenton法可以通过电解水原位生成过氧化氢（H₂O₂）和亚铁离子（Fe²⁺），无需额外添加这些化学物质，减少了储存和运输危险化学物质的风险。

2. 高氧化能力：电Fenton法产生的羟基自由基（·OH）具有很高的氧化电位，能够无选择性地氧化水中的大多数有机物，包括那些难以生物降解的有机物。

3. 反应条件温和：与传统的Fenton法相比，电Fenton法可以在较温和的条件下进行，如室温和常压，这降低了操作成本和安全风险。

4. 电流效率低：电Fenton法的一个缺点是电流效率相对较低，导致H₂O₂的产量不高。

5. 可能产生有毒中间体：在有机物的降解过程中，可能会产生一些有毒的中间体，这些中间体可能比原始污染物更具毒性。

6. 适合酸性废水处理：电Fenton法更适合处理酸性废水，对于中碱性废水可能需要额外的调酸步骤，增加了处理成本。

三、 发展

1. 光电Fenton（Photoelectro-Fenton）：结合了电Fenton法和光催化技术，通过UV辐射强化氧化降解作用，提高了H₂O₂的利用率和Fe²⁺的再生效率。

2. 新型电极材料：研究者正在开发具有更大氧气接触面积且对H₂O₂生成具有催化作用的新型阴极材料，以提高电流效率和H₂O₂的产量。

3. 异相光电催化：使用TiO2/UV系统进行异相光电催化，这种方法可以提高对有机物的矿化程度，减少有毒中间体的生成。

4. 环境适应性：电Fenton法正在被优化以适应更广泛的pH范围，使其能够处理各种类型的废水。

5. 能耗降低：研究者正在探索如何降低电Fenton法的能耗，使其在经济上更具竞争力。

     综上所述，电Fenton法是一种有效的废水处理技术，尤其适用于处理难降解的有机物。尽管存在一些挑战，但技术的发展和创新有望进一步提高其效率和应用范围。

以上的芬顿法的数据，可以供参考。