铁粉-Fenton氧化处理络合铜镍废水的研究(4)
1.4 Fenton反应的机理
在Fenton氧化反应机理的研究中，人们认识到Fenton反应是一个复杂的自由基链式反应过程。Fenton试剂是H2O2与Fe2+的混合物[21-23]，其主要机理是利用亚铁离子作为催化剂，在酸性条件下，反应产生•OH，其原理表述如下:
链引发:
Fe2++H2O2→Fe3++•OH+OH- (1-1)
K1≈70M-1s-1(Rigg et al.[24])
链传递:
•OH+Fe2+→OH-+Fe3+ (1-2)
K2≈3.2x M-1s-1(Buxton and Greenstock[25])
•OH+H2O2→HO2•+H2O (1-3)
K3≈3.3x M-1s-1(Buxton and Greenstock[25])
Fe3++H2O2→Fe2++HO2•+H+ (l-4)
•OH+R-H→•R+H2O (l-5)
•OH+R-H→[R-H]++HO- (1-6)
R+H2O2→ROH+ •OH (l-7)
链终止:
•OH+•OH→H2O2 (l-8)
HO2+HO2→H2O2 +O2 (1-9)
Fe2++HO2•→Fe3++HO2- (1-10)
K10≈1.3X M-1s-1(at pH=3，Bielski et al.[26])
Fe3++HO2•→Fe2++O2+H+ (1-11)
K11≈1.2× M-1s-1(at pH=3， Bielski et al.[26])
HO2•+•O-2→HO-2 +O2 (1-12)
•OH+R•→ROH (1-13)
•R+Fe3+→R++Fe2+ (l-14)
R++O2→ROO...→CO2+H2O (1-15)
如上即链式反应过程，其中还有很多副反应需要探讨，在这里亚铁离子是H2O2 分解的引发剂以及催化剂。另外，新形成的三价铁离子也能催化H2O2 ，导致它被分解生成H2O2 和O2，随之反应生成了亚铁离子和其他类型自由基。H2O2 可以作为•OH的清除剂(反应l-3)和引发剂(反应l-1)。•OH通过得到一个质子来氧化有机物分子(RH)，形成有机分子自由基( )，高活性的有机分子自由基可以进一步氧化。如果H2O2 的浓度在不限制的情况下，Fenton反应将持续进行，有机物分子将被完全氧化形成CO2，H2O2 和无机盐。
Fenton试剂具有凝絮作用，溶解在溶液中的悬浮固体被铁羟基配合物捕获，并且发生沉淀。Fenton反应絮凝过程需要较长的时间，往往过夜才可以完成。Fenton试剂根据不同的H2O2/FeSO4比，具有不同的处理功用。当Fe离子使用过量时，那么在污染物的处理中趋向于化学絮凝作用;反之，趋向于化学氧化作用。
在Fenton反应中Fe2+ 、RH、Fe3+之间的对•OH的竞争导致H2O2 的非生产性的分解，从而限制了有机化合物的羟基化反应。因此，在Fenton氧化降解有机污染物过程中，要建立一个合适的能最大发挥降解效率的Fe2+ 、RH、Fe3+之间的化学计量关系。
1.5 影响Fenton反应的因素
根据Fenton反应机理可知，•OH是Fenton反应氧化有机污染物的主要活性氧物种，而 浓度、H2O2 浓度、pH决定了•OH的产量。因此，影响Fenton反应处理难降解的有机物质效率的因素包括废水的初始性质、H2O2投加量及投加方式、pH值、催化剂投加量、催化剂种类、反应温度和反应时间等，并且每个因素之间的相互作用是不同的。
1.5.1 Fe2+浓度的影响
在Fenton反应中，Fe2+作为催化剂，在H2O2分解产生•OH的过程中起到关键的作用。因此，Fe2+的浓度对Fenton反应具有显著的影响。大量的研究发现，当Fe2+浓度过低的情况下，H2O2分解产生•OH速率将大大的受到影响，从而降低了Fenton反应的降解速率。而当Fe2+浓度过高时，Fenton反应开始时H2O2将会迅速的产生大量的•OH;但是，•OH与有机底物之间的反应相对•OH的产生速率来说不快，从而有一部分游离的•OH彼此之间会发生反应，消耗了一部分最初产生的•OH浓度，降低了Fenton反应的反应速率以及氧化效率。因此，Fe2+浓度过低过高都不利于Fenton反应，采用Fenton反应降解有机污染物时需要选择合适的Fe2+浓度。