過硫酸鹽高級氧化降解水體中有機汙染物研究進展
2020-12-06 北極星環保網過硫酸鹽高級氧化降解水體中有機汙染物研究進展
北極星水處理網訊:摘 要：基於硫酸根自由基（sulfate radical，SO4－∙）氧化原理的活化過硫酸鹽（persulfate，PS）氧化法是近年來高級氧化工藝（advanced oxidation process，AOP）的研究熱點，以經濟、高效、環境友好、安全穩定的優勢在水處理、環境保護等領域開闢了新的思路。此前，學者們發現過硫酸鹽高級氧化根據活化反應條件（如溫度、光照、pH、過渡金屬及催化劑等）的不同，會產生不同的自由基參與氧化反應，對降解結果也會產生不同程度的影響。本文根據相關自由基氧化機理，從產生硫酸根自由基的單一氧化、複雜活化體系硫酸根自由基與其他自由基複合氧化以及強化降解等方面，分析了近幾年國內外學者對過硫酸鹽降解典型有機汙染物的研究及在催化劑開發方面所做的工作，指出了許多新穎的過硫酸鹽活化手段及其降解效果與不足，並就未來的發展進行了展望，以期為過硫酸鹽氧化法未來更好地發展和應用探索出路。
隨著經濟社會的快速發展，工業生產過程中產生的各類有機廢水，對人們的健康和生存環境產生了潛在且長遠的威脅。常規的水處理技術對水中的有機汙染物去除能力有限，甚至是無能為力。高級氧化工藝（advanced oxidation process，AOP），一般具有反應速度快、處理完全、無公害、適用範圍廣等優點。這一概念由 Glaze於1987年提出，被定義為能夠產生羥基自由基（hydroxyl radical，∙OH）的氧化過程，典型代表有芬頓/類芬頓氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、超臨界水氧化法等，但多存在一定的局限性，如能耗及試劑消耗大、降解能力有限、設備易腐蝕等。因此，環境友好、技術可行的高級氧化廢水處理技術仍是學者們的研究熱點。
近年來，基於硫酸根自由基（sulfate radical，SO4－∙）氧化原理的活化過硫酸鹽（persulfate，PS）氧化法因其經濟、高效、環境友好、安全穩定等優點，在降解有機汙染物方面得到了越來越多的研究和應用，被認為是新型高級氧化技術。PS最早是作為聚合物的引發劑而被人們所熟知的，由於其在催化條件下產生的強氧化能力而被發掘，進而應用於有機汙染物的降解。有學者研究對比了UV/過渡金屬活化HP (hydrogen peroxide，過氧化氫)/PS/PMS (peroxymonosulfate，過一硫酸鹽) 處理水中難降解有機物的效果，結果表明，以2,4-二氯苯酚 (2,4-dichlorophenol，2,4-DCP) 為目標物，紫外光（UV）活化PS的效果要明顯優於UV活化PMS/HP，說明PS的光敏性要優於PMS和HP，雖然UV/過渡金屬複合活化PS的降解效果不如HP，但這應歸因於活化HP所用Fe(Ⅲ)對UV的高效吸收利用[根據之前的研究，活化PS選用的是最優催化劑Ag(Ⅰ)]，因此活化PS產生的SO4－∙是一種氧化性極強的自由基。本文根據硫酸根自由基、羥基自由基氧化機理，歸納總結了近幾年國內外學者對過硫酸鹽降解各類有機汙染物的研究及應用，並就過硫酸鹽活化手段及其降解效果進行了分類對比分析，指出了不足，為過硫酸鹽氧化法未來更好地發展和應用探索出路。
1 硫酸根自由基（SO4－∙）氧化
1.1 鐵或鐵改性催化劑活化
1.2 紫外光（UV）活化
2 硫酸根自由基（SO4－∙）與羥基自由基（∙OH）共同作用
3 強化降解與影響研究
4 問題與展望
基於硫酸根自由基氧化原理的活化過硫酸鹽氧化法氧化能力強，能處理包括抗氧化能力極強的全氟辛酸在內的多種有機汙染物，在工業廢水（甚至是高鹽廢水）處理領域具有廣闊的應用前景。活化過硫酸鹽產生自由基的活化手段日新月異，整體呈現出新穎、細緻的特點，研製出高效、節能（降低成本）的活化手段成為核心目標，許多新研製的催化劑[如二茂鐵、MIL-53(Fe)]都具備可重用性，經多次重複利用後活化效果依然顯著，但多存在製備方法複雜、未進行成本評價的不足。大多數研究都停留在實驗研究階段，處理對象單一，評價指標參差不齊，許多研究的考察指標只是對目標物的去除，並未考慮降解產物是否有害或是否完全礦化，對實際應用的貢獻不大；同時對氧化機理的研究雖多但不夠系統，甚至常常存在截然相反的結論。因此，過硫酸鹽高級氧化法在未來還需在以下幾個方面進行深入系統的研究。
（1）開發簡單易得、高效、可重複利用的催化劑以及更經濟、高效的活化方法，降低該技術的使用成本。
（2）研究新的高級原位表徵技術和理論計算組合的方法來探索自由基的產生和反應路徑，對活化、氧化機理系統性的研究，對於不同汙染物種類、汙染體系，給出針對性的活化、氧化方法理論指導。
（3）探索並建立根據汙染物分子複雜程度、抗氧化能力強弱、完全礦化的反應路徑等條件確定氧化劑/汙染物比例的理論體系，用以指導實驗研究與實際應用。
（4）進行混合體系或實際廢水處理研究，考慮多種影響因素對氧化處理的影響，並開發配套處理工藝，推進過硫酸鹽氧化的工業化。
原標題:過硫酸鹽高級氧化降解水體中有機汙染物研究進展
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