芬頓反應與廢水處理

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芬頓反應與廢水處理(Fenton’s Reaction & Waste Water Treatment)
國立臺灣師範大學化學系碩士班 洪嘉駿

芬頓反應是英國科學家芬頓 (Henry John Horstman Fenton) 在 1890 年代發明 [1]。所使用的試劑為二價鐵離子 (Fe2+) 和過氧化氫 (hydrogen peroxide, H2O2),其二價鐵離子和過氧化氫在溶液中(通常為水)會反應產生氫氧根自由基 (hydroxyl radical, HO•) 和氧化羥基自由基 (peroxyl radical, HOO•),藉由此反應產生的氫氧根自由基我們可以用來氧化分解來自工廠的排放廢水或化學污泥廢棄物中的有機汙染物,例如除去三氯乙烯(trichloroethylene,簡寫 TCE),以提升放流放水的水品質,降低排放汙染。且使用芬頓試劑的技術在經由改良,提升效率和降低成本後已有多家企業使用來降低排放水的有機汙染物 [1]

科學家介紹

芬頓 (Henry John Horstman Fenton) 是西元 1854 年 2 月 18 號生於英國倫敦的化學家,曾就讀於牛津大學莫德林學院、倫敦國王學院和劍橋大學基督學院。在 1904 到 1924 年間在劍橋大學擔任化學講師 [4]。最後於 1929 年去世。

反應介紹

芬頓反應中的二價鐵離子扮演催化劑的角色,與一個過氧化氫分子反應使其生成氫氧根自由基,二價鐵離子則被氧化形成三價鐵離子且與另一個過氧化氫分子反應並使其生成過氧氫根自由基,三價鐵離子還原成二價鐵離子回到循環中再與下一個過氧化氫分子反應,因此二價鐵離子只需要催化量便可。Fenton 試劑中使用的二價鐵離子來源通常為硫酸亞鐵 (ferrous sulfate, FeSO4)。其反應機制如下:

$$(1)~~~~~~\mathrm{Fe^{2+}+H_2O_2~~~~~~~~~Fe^{3+}+HO\cdot+OH^-}$$

$$(2)~~~~~~\mathrm{Fe^{3+}+H_2O_2~~~~~~~~~Fe^{2+}+HOO\cdot+H^+}$$

淨反應為過氧化氫的自身氧化還原反應(或稱岐化反應,disproportionation),形成兩種不同的含氧自由基以及副產物水分子 (OH + H+) [2]。另外值得一提的是此法會產生鐵汙泥,也就是 Fe(OH)3

$$\mathrm{2H_2O_2~~~~~~~~~HO\cdot+HOO\cdot+H_2O}$$

反應式 (1) 是由弗里茨·哈伯 (Fritz Haber) 和他的學生韋斯 (Joseph Joshua Weiss) 提出的哈伯—韋斯反應 (Haber — Weiss reaction) 中而來 [3]。自由基接著會與有機物反應;由於自由基是反應性強烈的物質,例如氫氧根自由基是無選擇性的強氧化劑。芬頓反應生成的自由基與排放水中的有機物進行的是反應速率極高且放熱的氧化反應,與有機物反應後主要生成二氧化碳和水,因而降低排放水中的有機物含量。

實際應用如工業技術研究院環境安全中心已於 1994 年起利用芬頓反應研發出一系列的低污泥量的廢水高級氧化處理技術,除了傳統芬頓法外共有三項技術且共獲十國專利,其分別是流體化床—芬頓 (FBR — Fenton) 化學氧化處理技術、電解還原—芬頓技術和電解氧化—芬頓法,前兩項為目前的重點低污泥處理技術。前者適用於高濃度生物難分解廢水的處理,可作為生物前處理以改善水質,提升後續生物處理能力;後者則是用於低濃度生物難分解廢水的處理,用於生物後處理。應用範圍有石化、化工、人纖、紡織、染整、印刷電路板、造紙、合成樹脂、製藥、皮革等行業。在企業的實際應用例子為聯華電子於 2002 年 11 月開始採用工業技術研究院環境安全中心規劃設計的電解還原—芬頓處理系統;聯華電子平均每天產生 1 m3 的高濃度有機廢水,在未採用前 COD(化學需氧量)平均值達 18,000 mg / L,採用後可去除 90% 以上的 COD。此法與傳統芬頓法不同於不需要使用大量傳統芬頓試劑。利用電解還原原理使三價鐵離子於陰極再還原為二價鐵離子,因此三價鐵離子便不易與氫氧根產生鐵汙泥且可持續參與反應,提高過氧化氫的氧化效率而降低其加藥量及操作成本 [1]

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圖一、電解還原-芬頓處理系統流程圖。(作者繪製)

圖一為聯華電子的電解還原—芬頓處理系統的實際案例流程圖:從工廠蒐集來的有機廢水與試劑一同進入附有電解槽的反應槽進行氧化反應將其中大部分的有機汙染物分解,試劑中的硫酸用於調整反應溶劑的酸鹼值,使其酸鹼值位於約 pH = 1.8 左右,而三價鐵離子於電解槽中被還原成二價鐵離子後回到反應槽中繼續參與反應。反應約一天之後打入混凝沉澱槽中。調整酸鹼值回中性並加入陰離子凝集劑之後分層排出上層的廢水和下層的廢棄汙泥便完成整個流程。


參考文獻

  1. 徐淑芳、周珊珊、魏信和、徐明烽(民92)。電解還原-Fenton 法處理半導體業高濃度有機廢水案例介紹工安環保報導。第17期
  2. Fenton, H. J. H. (1894). LXXIII.—Oxidation of tartaric acid in presence of iron.Journal of the Chemical Society, Transactions65, 899-910.
  3. Koppenol, W. H. (2001). The Haber-Weiss cycle–70 years later. Redox Report,6(4), 229-234.
  4. Barbusiński, K. (2009). Henry John Horstman Fenton-short biography and brief history of Fenton reagent discovery. Chemia, Dydaktyka, Ekologia, Metrologia,1(14), 111-112.
There are 2 comments for this article
  1. admin at 12:10:19

    您好,錯誤的部分已經修正,感謝您的指教^^
    –管理員上

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