معالجة مياه الصرف الصحي للطلاء الكهربائي بطريقة الفنتون الكهربائية

0 مقدمة لطريقة فنتون الكهربائية

　　تم اقتراح مفهوم تقنيات الأكسدة المتقدمة لأول مرة من قبل Glaze وآخرون في عام 1987، مع إنتاج الجذور الهيدروكسيلية (·OH) كعلامة. تقنيات الأكسدة المتقدمة (AOPs) التي تطورت في السنوات الأخيرة، والتي تستند إلى تفاعل فنتون، تشمل بشكل أساسي طريقة فنتون وطريقة شبيهة بفنتون. تفاعل فنتون التقليدي لا يمكنه تحقيق دوران الحديد، ونطاق الأس الهيدروجيني ضيق (الأمثل 2.0 ~ 3.5)، وأيونات الحديد نفسها تلتقط الجذور الحرة، وكفاءة استخدام بيروكسيد الهيدروجين ليست عالية، مما يحد من تطبيقه في معالجة المياه. نظرًا لأن عمر الجذور الهيدروكسيلية قصير، غالبًا ما يتم تعزيز تأثير المعالجة وتوسيع نطاق تطبيقه في معالجة المياه بمساعدة الظروف الخارجية، مثل الأشعة فوق البنفسجية والمجالات الكهربائية، مثل طريقة فوتو فنتون، وطريقة فنتون الكهربائية، وطريقة فوتو إلكترو فنتون، وطريقة الأشعة فوق البنفسجية-فنتون، وما إلى ذلك. من بينها، طريقة فنتون الكهربائية، لا تمتلك فقط جميع خصائص الطريقة الكهروكيميائية، ولكن يمكنها أيضًا استخدام التأثير المؤكسد القوي للجذور الهيدروكسيلية، وتصبح تدريجيًا الاتجاه الرئيسي لتطوير كاشف فنتون، وهي أيضًا الاتجاه الرئيسي للتكنولوجيا الكهروكيميائية.

　　2 مبدأ طريقة فنتون

في عام 1894، اكتشف العالم الفرنسي فينتون إتش جيه إتش أن أيونات الحديد الثنائي وبيروكسيد الهيدروجين في ظروف حمضية يمكن أن تحلل حمض الطرطريك بفعالية. مع تفاقم التلوث العضوي، قدمت هذه الطريقة مسارًا جديدًا لمعالجة مياه الصرف الصحي العضوية، وكان لها أهمية تاريخية. تكريمًا للمساهمة المتميزة لفينتون إتش جيه إتش، تم تسمية Fe2+/H2O2 بكاشف فينتون، وتم تسمية هذا التفاعل بتفاعل فينتون. يتمتع كاشف فينتون بقدرة قوية على أكسدة المواد العضوية بشكل فعال وغير انتقائي، ولديه قوة أكسدة قوية جدًا. ومع ذلك، نظرًا لعدم فهم آلية تفاعل فينتون بشكل كامل، اقترح العلماء العديد من الافتراضات الممكنة. استخدم الأمريكيون ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMPO) كمصيدة للجذور الحرة، وباستخدام الرنين المغناطيسي النووي، تم التقاط إشارة الجذور الحرة، واقترحوا آلية الجذور الحرة وشظايا المؤكسد. بعد ذلك، أكدت دراسات والين ونورمان وجيفكوت وغيرهم هذا الاستنتاج. قام ديفيد آر وآخرون بتلخيص الآليات السابقة لتفاعل فينتون (انظر الجدول 1-1). آلية التفاعل المقبولة حاليًا على نطاق واسع هي: يتفاعل بيروكسيد الهيدروجين مع أيونات الحديد الثنائي لتكوين جذور حرة (.OH) وأيونات الهيدروكسيد (OH-)، والتي تتمتع الجذور الحرة بجهد أكسدة كهربائي عالٍ جدًا (انظر الجدول 1.2)، لذلك، يستخدم كاشف فينتون بشكل أساسي القوة المؤكسدة القوية للجذور الحرة في معالجة المياه. بالإضافة إلى أيونات الحديد الثنائي التي يمكن أن تحقق تفاعل فينتون، يمكن لأيونات المعادن الانتقالية الأخرى (مثل Cu2+ وما إلى ذلك) أيضًا تحفيز تحلل بيروكسيد الهيدروجين إلى جذور حرة وأيونات الهيدروكسيد.

تعد تقنية فنتون الكهربائية إحدى تقنيات المعالجة الكهروكيميائية التي تم تطويرها على أساس كاشف فنتون. يمكن تقسيم طريقة فنتون الكهربائية (EF) إلى شكلين. أحدها هو تفاعل فنتون بين ملح الحديدوز القابل للذوبان و H2O2 المتولد على الكاثود في محلول حمضي ضعيف، حيث يتم دمج الكيمياء الكهربائية وفنتون بشكل جيد، وتستخدم الأقطاب الكهربائية المستخدمة في هذه الطريقة بشكل أساسي الجرافيت، والقطن الكربوني، وما إلى ذلك؛ الطريقة الأخرى هي طريقة القطب الموجب التضحوي، حيث يذوب القطب المعدني كقطب موجب ويطلق Fe2+، ويتفاعل مع H2O2 المضاف خارجيًا لتفاعل فنتون، وتكون آلية التفاعل كما يلي:

آلية إزالة الملوثات بواسطة تفاعل فنتون الكهربائي معقدة للغاية أيضًا. ما هو مقبول عالميًا حاليًا هو أيضًا التأثير المؤكسد القوي للجذور الهيدروكسيلية. نظرًا لاختلاف أشكال فنتون الكهربائية، تختلف طرق توليد الجذور الهيدروكسيلية أيضًا، ولكن في تحلل الملوثات، يعتقد الباحثون بشكل عام أن التأثير مشابه لتأثير كاشف فنتون، وهو بشكل أساسي التأثير المؤكسد القوي للجذور المتولدة بواسطة تأثيرات الأقطاب الموجبة والسالبة لأكسدة وتحليل الملوثات والقضاء عليها.

　　3 خصائص طريقة فنتون الكهربائية

　　مقارنة بتقنية فنتون التقليدية، تتمتع تقنية فنتون الكهربائية بالمزايا التالية:

　　(1) استخدام الجرافيت، أو لباد الكربون، وما إلى ذلك، ككاثود للتفاعل الكهروكيميائي، وفي ظل ظروف حمضية، يتم تحويل الأكسجين المدخل إلى الكاثود إلى بيروكسيد الهيدروجين، لذلك لا يلزم إضافة بيروكسيد الهيدروجين خارجيًا، مما يقلل من تكاليف المعالجة ويقلل أيضًا من مخاطر نقل بيروكسيد الهيدروجين.

　　(2) جزء فقط من الأكسجين المدخل إلى الإلكتروليت يتحول إلى بيروكسيد الهيدروجين، ويتم إطلاق الجزء الآخر في شكل غاز، مما يؤدي إلى تحريك الإلكتروليت، ويجعل الإلكتروليت مختلطًا بشكل متجانس، ويلعب دورًا في منع ظاهرة الاستقطاب.

　　(3) يمكن للتفاعل الكهروكيميائي توفير Fe2+ مستمر، حيث يتم إنتاج الألواح مباشرة أو يتم اختزال Fe3+ المكتسب للإلكترونات إلى Fe2+، مما يسمح بإعادة استخدام Fe2+؛ تتطلب طريقة فينتون إضافة أملاح الحديد، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف، وإنتاج كميات كبيرة من الحمأة، وارتفاع درجة لون المياه المعالجة وارتفاع محتوى الأنيونات، ولا توجد هذه المشكلة في طريقة فينتون الكهربائية؛

　　(4) عملية التحلل الكهربائي لفنتون للملوثات، بالإضافة إلى التأثير المؤكسد للجذور الحرة، هناك أيضًا عمليات التخثر الكهربائي، والأكسدة الكهربائية، والاختزال الكهربائي، والطفو الكهربائي، أو التأثير المشترك لهذه العمليات. انظر بالتفصيل إلىمتجر مياه الصرف الصحيالمواد أوhttp://www.dowater.comالمزيد من الوثائق الفنية ذات الصلة.

　　4 تطبيق طريقة فنتون الكهربائية في معالجة المياه

　　استخدم هوانغ وآخرون طريقة الكهرباء-فنتون لمعالجة مياه الصرف الصحي البتروكيماوية. أظهرت نتائج التجارب أن طريقة الكهرباء-فنتون، التي تستخدم أنود الحديد التضحوي لتوفير Fe2+ مع H2O2 المضاف خارجيًا، لها تأثير إزالة مرتفع على COD في مياه الصرف الصحي. تمت مقارنة تأثير المعالجة مع الأوزون، والأوزون/H2O2، وهيبوكلوريت الصوديوم، وطريقة فنتون التقليدية، ووجد أن تأثير الإزالة بالكهرباء-فنتون أفضل بشكل ملحوظ من الطرق الأخرى. استخدم بريلاس وآخرون طريقة الكهرباء-فنتون لتحلل الأنيلين. استخدم كريستينا فلوكس وآخرون طريقة الكهرباء-فنتون والكهرباء-ضوء فنتون باستخدام Pt كأنود لمعالجة مياه الصرف الصحي لصبغة النيلي. سواء تم استخدام BDD كأنود في الكهرباء-فنتون، أو استخدام التحفيز المشترك لـ Fe2+ و Cu2+ في الكهرباء-ضوء فنتون باستخدام Pt كأنود، فقد تم تحقيق التمعدن الكامل لصبغة النيلي. استخدم ماركو بانيزا وآخرون طريقة الكهرباء-فنتون التي تنتج بيروكسيد الهيدروجين في الكاثود لتحليل الأصباغ الاصطناعية، ودرسوا تأثير العوامل المختلفة على تأثير التحلل. استخدم تشو وآخرون طريقة الكهرباء-فنتون لمعالجة الميثيل الأحمر، باستخدام PTFE ككاثود، ودرسوا تأثير تركيز إلكتروليت Na2SO4، ودرجة الحموضة، وتركيز أيونات الحديدوز، وتركيز الملوثات على إزالة الميثيل الأحمر. ووجدوا أن تحلل الميثيل الأحمر يحدث على مرحلتين، وأن معدل التحلل في المرحلة الثانية أبطأ من المرحلة الأولى. استخدم تشانغ وآخرون طريقة الكهرباء-فنتون لإزالة COD من مكبات النفايات، ودرسوا تأثير وقت التفاعل، والمسافة بين الألواح، وكثافة التيار، والنسبة المولية لـ H2O2/Fe2+ على التحلل. وأظهرت النتائج أن طريقة الكهرباء-فنتون يمكنها تحلل المواد العضوية في العصارة المترشحة لمكبات النفايات بفعالية، وهي ليست فقط عالية الكفاءة مقارنة بطريقة فنتون العادية، بل هي أيضًا أكثر اقتصادية. درس بريلاس وآخرون حمض 3،6-ثنائي كلورو-2-ميثوكسي بنزويك المبيد للأعشاب باستخدام الأكسدة الأنودية، والكهرباء-فنتون، والكهرباء-ضوء فنتون. استخدم تشاو وآخرون تقنيات التخثر الكهربائي والكهرباء-فنتون لتحليل مياه الصرف الصحي للوحات الدوائر المطبوعة. استخدم تشاو وآخرون تقنيات التخثر الكهربائي والكهرباء-فنتون لإزالة الزرنيخ، باستخدام DSA ولوح حديدي كأقطاب. تم أكسدة الزرنيخ على لوح DSA، ثم تمت إزالته عن طريق التخثر والترسيب. تمت دراسة تأثير الأيونات المتزامنة على إزالة الزرنيخ، ووجد أن أيونات Ca و Mg تعزز إزالة الزرنيخ، بينما تثبط أيونات Cl- و CO32- و PO43- إزالة الزرنيخ. استخدم بوي وآخرون طرقًا مثل الأكسدة الأنودية، والكهرباء-فنتون، والكهرباء-ضوء فنتون لتحليل مبيد الأعشاب 2،4،5-T. استخدم بانيزا وآخرون طريقة الكهرباء-فنتون لتحليل مياه الصرف الصحي الصناعية العضوية المحتوية على حمض النفثالين سلفونيك وحمض الأنثراكينون سلفونيك. استخدم ليان يو وآخرون طريقة الأكسدة بالكهرباء-فنتون لمعالجة مياه الصرف الصحي المحاكية للأورانج الحمضي II. يمكن لطريقة الأكسدة بالكهرباء-فنتون أن تحلل بفعالية الروابط الآزوية وحلقات النفثالين في التركيب الجزيئي للأورانج الحمضي II، وتحسن قابلية المياه للصرف الصحي للتحلل البيولوجي.