複合式芬頓高級氧化淨水技術介紹及其發展趨勢

刊登日期:2014/12/5
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當有機污染物存在於地表水或地下水體中,其污染源可能來自於農作物栽培、牲畜飼養及食品加工過程中所排出的污水和液態廢物,經雨水沖刷逕流而污染水體,或工業製程中所排出之污水及有害物質未適當處理排放至水體中。這些水體中所含有的有機污染物大多具有毒性、致突變性及致癌性,因此,芬頓相關的高效淨水技術在近十年逐漸受到關注。本文將介紹芬頓相關之新穎淨水技術,並進一步說明其反應影響因子及技術發展趨勢。

近年來,高級氧化處理程序( Advanced Oxidation Processes; AOPs )被證實可有效去除生物難分解有機物。AOPs於常溫常壓下進行,產生高活性的氫氧自由基(•OH),可有效去除水中有機物達到水質淨化之目的。氫氧自由基具有高的反應性及反應速率,對於大部分有機污染物皆可有效降解,反應速率常數於106~109 L•mol-1• s-1。表一為各種氧化劑之還原電位,氫氧自由基具有高的還原電位 2.80V,其氧化能力在天然元素中僅次於氟。

高級氧化處理程序種類眾多,技術分類上依照反應相(均相和異相)及氫氧自由基形成方法(化學、電化學、超音波化學及光化學)作分類。依據反應相將常見高級氧化程序分類如表二所示,程序包含傳統式及非傳統式高級氧化法如電芬頓及超音波電芬頓法,而非傳統式高級氧化處理程序於表中尚未標示如游離輻射( Ionizing Radiation )、微波( Microwaves )及脈衝雷射( Pulsed Plasma )等技術。依照芬頓反應為勻相( Homogenous )或異相( Heterogeneous )來分類,勻相有芬頓( Fenton )、光芬頓( Photo-Fenton; PF )、電芬頓( Electro-Fenton; EF )、光電芬頓( Photoelectro-Fenton; PEF )及超音波芬頓(Sono-Fenton; SF)等;異相則有零價鐵類芬頓反應( Fenton-Like Reactions Using Nano-zero Valent Iron ),而本文係以此架構進行各類芬頓法之說明,以及針對反應之不同影響因子作探討,如圖一所示。


圖一、芬頓法類別及關鍵操作參數

勻相芬頓反應
1. 光芬頓
一般來說,以紫外光或可見光激發的芬頓反應相較於一般芬頓反應大多可達到較快的反應速率以及有較高的氧化程度)。其主要增強機制是由於三價鐵之光化學特性,三價鐵錯合物(FeIII Complexes)經過Ligand to Metal Charge Transfer(LMCT)程序被激發,解離成二價鐵錯合物(FeII Complexes)以及一氧化過後之配位基(• Lox)。此機制對於芬頓反應的優勢在於還原過後之二價鐵錯合物經過反應後,可與過氧化氫反應產生氫氧自由基,即為芬頓反應後之產物再利用,並使芬頓反應所需之反應物再生;而且在式(2)中,氧化過後之配位基可與目標污染物反應,進而導致目標污染物被分解。
FeIII(L)n + hv → FeII(L)n-1 + •Lox  (2)

2. 光電芬頓
最近幾年, 有學者提出以光芬頓與電芬頓的整合方式達成高效芬頓反應之目標,稱之為光電芬頓( Photoelectro-Fenton;PEF )。相較於單一光芬頓反應或電芬頓反應,光電芬頓反應提供了更多•OH產生途徑,且能更有效率地利用陰陽兩電極間的電子轉移,使反應具有加乘效應( Synergistic Effect )之特色。

針對近年來常見用於處理染整廢水之光輔助高級氧化機制,例如同相催化之光芬頓反應,陸續有研究提出以外加電場改良之形式,期望提高該處理效能。光電芬頓主要是利用電芬頓之操作條件下,讓反應槽體暴露在紫外光照射下,使得反應槽體中,除了能在陰極產生過氧化氫,並且藉由光芬頓反應,讓水中之三價鐵錯合物激發後降解污染物。其主要優勢為電芬頓法,水中三價鐵錯合物受紫外光激發還原成二價鐵離子,並在還原過程中增加氫氧自由基的產率,見式(3)、式(4)。
Fe(OH)2+ + hv → Fe2+ + •OH  (3)
2Fe(C2O4)n(3-2n) + hv → 2Fe2+ + (2n-1)C2O42- + CO2  (4)

一般而言, 光電芬頓反應主要可依電極材料細分成兩種類型,一種為具有高電壓耐受能力之電極材料,如參硼鑽石或尺寸穩定性陽極,其主要目的為利用高電壓條件使得光電芬頓反應速率能有效被提升,其裝置設計如圖二所示 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖三、光電薄膜裝置示意圖

作者:陳建宏、林煒傑、楊欣茹、任維傑、張王冠/工研院材化所
★完整內容請見下方檔案。


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