高級氧化法的特性及其應(yīng)用
目前水質(zhì)污染的主要矛盾已從耗氧物質(zhì)和生物污染轉(zhuǎn)化為化學物質(zhì)污染，因此美國國家研究委員會(NRC)在制定21世紀優(yōu)先研究領(lǐng)域時把《環(huán)境中的化學品》列為今后20年應(yīng)加以資助的六個重點領(lǐng)域之一。我國從2000年1月1日起執(zhí)行新的地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GHZB1—1999)，其中控制地表水I、II、III類水域有機化合物為目的的特定項目有40項。
目前廢水處理最常用的生物法對可生化性差、相對分子質(zhì)量從幾千到幾萬的物質(zhì)處理較困難，而化學氧化法可將其直接礦化或通過氧化提高污染物的可生化性，同時還在環(huán)境類激素等微量有害化學物質(zhì)的處理方面具有很大的優(yōu)勢。然而O3、H2O2和Cl2等氧化劑的氧化能力不強且有選擇性氧化等缺點，難以滿足要求。1987年Glaze等人提出了高級氧化法(A dvanced oxidation processes，簡稱AOP)，它克服了普通氧化法存在的問題，并以其獨特的優(yōu)點愈來愈引起重視。
1 氧化有機物的機理
Glaze等人將水處理過程中以羥基自由基作為主要氧化劑的氧化過程稱為AOPs過程，用于水處理則稱為AOP法。典型的均相AOPs過程有O3/UV、O3/H2O2、UV/ H2O2、H2O2/Fe2+(Fenton試劑)等，在高pH值情況下的臭氧處理也可以被認為是一種AOPs過程，另外某些光催化氧化也是一個AOPs過程。
高級氧化法最顯著的特點是以羥基自由基為主要氧化劑與有機物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)中生成的有機自由基可以繼續(xù)參加·OH的鏈式反應(yīng)，或者通過生成有機過氧化物自由基后，進一步發(fā)生氧化分解反應(yīng)直至降解為最終產(chǎn)物CO2和H2O，從而達到了氧化分解有機物的目的。
2 AOP法的特點
2.1 氧化能力強
表1為各種氧化劑的氧化電位，可見羥基自由基是一種極強的化學氧化劑，它的氧化電位比普通氧化劑(如臭氧、氯氣、過氧化氫)高得多，這意味著·OH的氧化能力要大大高于普通化學氧化劑。
表1 各種氧化劑的氧化電位
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2.2 選擇性小、反應(yīng)速度快
表2中列舉了水中常見的有機污染物同O3和·OH的反應(yīng)速率常數(shù)。由表2可見，O3對不同的有機物質(zhì)的氧化速度相差很大，相同條件下與涕滅威的反應(yīng)速率常數(shù)要比林丹高6個數(shù)量級以上，這樣當使用臭氧處理含這兩種有機物的廢水時，O3會優(yōu)先與反應(yīng)速度快的物質(zhì)進行反應(yīng)，而另外一種物質(zhì)則無法達到處理的目的。·OH與不同有機物質(zhì)的反應(yīng)速率常數(shù)相差很小，表明羥基自由基是一種選擇性很小的氧化劑，當水中存在多種污染物質(zhì)時，不會出現(xiàn)一種物質(zhì)得到降解而另一種則基本不變的情況。
表2 常見有機污染物與O3和·OH的反應(yīng)速率常數(shù)
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同普通化學氧化法相比，AOP法的反應(yīng)速度很快。如表2中的數(shù)據(jù)所示，·OH對含C—H或者C—C鍵有機物質(zhì)的反應(yīng)速率都相當快，一般其反應(yīng)速率常數(shù)＞109mol-1·L·s-1，基本接近擴散速率控制的極限(1010mol-1·L·s-1)，表明此時氧化反應(yīng)速度是由·OH的產(chǎn)生速度來決定的，因此用AOP法處理有機物時，在很短的時間內(nèi)便可以達到處理要求，如以H2O2/O3處理阿特拉津農(nóng)藥廢水時，10min內(nèi)便可以達到90%以上的去除率。
2.3 處理效率高
普通化學氧化法由于氧化能力差、反應(yīng)有選擇性等原因，往往不能直接達到完全去除有機物、降低TOC和COD的目的。
AOP法則基本不存在這個問題，氧化過程中的中間產(chǎn)物均可以繼續(xù)同羥基自由基反應(yīng)，直至最后被完全氧化成CO2和H2O，從而達到了徹底去除TOC和COD的目的。如使用O3/超聲波對于人工合成棕黃酸溶液進行處理時，對TOC去除率達到了90%以上。表3中列舉的應(yīng)用實例也可證明這一點。
表3 高級氧化法的應(yīng)用研究實例
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2.4 有效減少THMs生成量
對含有機物的水進行氯消毒時產(chǎn)生的三鹵代甲烷類副產(chǎn)物(THMs)被公認為致癌和致畸物質(zhì)，而腐殖酸和棕黃酸被認為是天然水中鹵素的主要吸收者，它們在最后的氯化過程中將會導(dǎo)致THMs副產(chǎn)物的生成。
普通化學氧化劑(如臭氧)雖然可以將這些大分子的有機物氧化分解成小分子的有機物，從而部分減少THMs產(chǎn)生的可能性(THMFP)，但難以達到完全消除；另外如果水中含有溴化物時，臭氧處理含棕黃酸的水時將會導(dǎo)致溴代有機化合物(一種重要的致癌物質(zhì))的生成。
AOP法則可以有效地減少THMs的生成，它可將有機物質(zhì)(THMs前體物)徹底氧化成二氧化碳和水，另外當水中存在THMs時，AOP法也可以部分消除這些物質(zhì)，同時也可以有效地減少溴代 有機化合物的生成。
3 應(yīng)用概況
AOP法的應(yīng)用如表3所示。這些研究結(jié)果表明AOP法對于微量有害難降解化學物質(zhì)的處理具有其他方法無法比擬的顯著效果，發(fā)展前景廣闊。
雖然AOP法還存在著許多問題，如處理成本較高、碳酸根離子及懸浮固體對反應(yīng)有干擾等，但因其具有獨特的優(yōu)點而受到各國的廣泛重視，并在一定范圍內(nèi)投入應(yīng)用。美國密執(zhí)安州從1994年開始將其用于處理受有機氯化物污染的地下水，Mont-Valerien水處理 廠采用了O3/UV氧化處理來自Seine River原水中的阿特拉津，在南加州建造了世界上最大的H2O2/O3法凈水設(shè)施，于2000年正式運行；在法國已經(jīng)將O3/H2O2過程同活性炭過濾相結(jié)合應(yīng)用于水處理廠中；英國、荷蘭等國為了去除和分解水中的有機氯，準備在普通凈水廠中增加H2O2/O3凈水設(shè)施；德國、澳大利亞、法國和荷蘭已采用O3/UV和H2O2/O3法來處理垃圾填埋滲濾液。
4 結(jié)語
AOP法同傳統(tǒng)的化學氧化法相比，具有氧化能力強、氧化過程無選擇性、反應(yīng)徹底等優(yōu)點，對含微量難降解有機物廢水的處理具有極大的應(yīng)用價值。但對如何進一步提高其處理效率、降低處理成本以及消除各種不利因素(如碳酸鹽等)對其影響等問題還需要在今后作進一步研究。
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