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氧化還原法的功能原理及在工業(yè)污水處理中的應(yīng)用

      （一）功能與原理

      廢水中溶解性物質(zhì)，包括無機(jī)物（如CN^-、S2^-、Fe²⁺、Mn²⁺、汞、鋁、銅、銀、金、六價鉻、鎳等）和有機(jī)物，可以通過化學(xué)氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成無害的物質(zhì)，或者轉(zhuǎn)化成容易從水中分離排除的形態(tài)（氣體或固體），從而達(dá)到處理的目的，這種方法稱為氧化還原處理法。

      對于無機(jī)物的化學(xué)氧化或還原過程，元素（原子或離子）失去或得到電子，引起化合價升高或降低。失去電子的過程稱為氧化，得到電子的過程稱為還原。得到電子的物質(zhì)稱為氧劑，失去電子的物質(zhì)稱為還原劑。

      對于有機(jī)物的化學(xué)氧化或還原過程，往往難以用電子的轉(zhuǎn)移來分析判斷。一般將加氧或去氫的反應(yīng)稱為氧化，或者有機(jī)物與強(qiáng)氧化劑相作用生成CO2、H20等的反應(yīng)判定為氧化反應(yīng)；將加氫或去氧的反應(yīng)稱為還原。

      廢水處理中常采用的氧化劑有空氣、臭氧、氯氣、次氯酸鈉及漂白粉等；常用的還原劑有硫酸亞鐵、亞硫酸氫鈉、硼氫化鈉、水合肼及鐵屑等。投藥氧化還原法的工藝過程及設(shè)備比較簡單，通常只需一個反應(yīng)池，若有沉淀物生成，尚需進(jìn)行固液分離及泥渣處理。

      在電解氧化還原法中，電解槽的陽極可作為氧化劑，陰極可作為還原劑。電解氧化還原法的工藝過程及設(shè)備均有其特殊性，將另辟專節(jié)討論。

      （二）氧化法處理工業(yè)廢水

      向廢水中投加氧化劑，氧化廢水中的有害物質(zhì)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒無害或毒性小的新物質(zhì)的方法稱為氧化法。而常見的氧化法分為三類。

      ①空氣氧化法

      空氣氧化法目前主要用于含二價硫[硫（Ⅱ）]廢水的處理。硫（Ⅱ）在廢水中以S²、HS-、HS的形式存在。在堿性溶液中，硫（Ⅱ）的還原性較強(qiáng)，且不會形成易揮發(fā)的硫化氫，空氣氧化效果較好。氧與硫化物的反應(yīng)在80℃-90℃下按如下反應(yīng)式進(jìn)行：

第一步 2HS^-+2O₂=S₂O₃^2-+H₂O；2S^2-+2O₂+H₂O=S₂O₃^2-+2OH^-;

第二步 S₂O₃^2-+2O₂+2OH^-=2SO₄^2-+H₂O。

      在廢水處理中，接觸反應(yīng)時間約1.5h，第一步反應(yīng)幾乎進(jìn)行完全，而第二步反應(yīng)只能進(jìn)行約10%綜合這兩者，氧化Ikg硫（Ⅱ）總共約需1.1kg氧，約相當(dāng)于4m²空氣。如果能向廢水中投加少量的氯化銅或氯化鈷作催化劑，則幾乎全部S₂O₃^2-被氧化為SO₄^2-。

      ②氯氧化法

      氯氧化法在廢水處理中主要用于氰化物、硫化物、酚、醇、醛、油類的氧化去除，還用于消毒、脫色、除臭。常用的氯系氧化劑有液氯、漂白粉、次氯酸鈉、二氧化氯等。這里主要介紹堿性氯化法處理含氛廢水和氯化脫色兩個內(nèi)容。

      （a）堿性氯化法處理含氛廢水

      氯氧化氛離子的反應(yīng)分為兩個階段。

      第一階段，CN^-被氧化為CNO^-；

CN^- +CIO^-+H₂O=CNCl +2OH^-；

CNCI+2OH^-→CNO^-+CI^-+H₂O（pH≥10）

      第二階段，CNO^-可在不同pH下，進(jìn)一步氧化降解或水解：

2CNO^- +3CIO^-+H₂O →N²↑+3CI^-+2HCO₃^-（pH＝7.5~9）

CNO^- +2H^＋+H₂O→NH₄^＋+CO₂(pH＜2.5)

      第一階段反應(yīng)生成的氯化氰有劇毒，在酸性條件下穩(wěn)定，易揮發(fā)；只有在堿性條件下，才容易轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘詷O微的氰酸根CNO^-。

      第二階段的氧化降解反應(yīng)，在低pH下可加速進(jìn)行，但產(chǎn)物為NH₄^＋，且有重新逸出CNCI的危險，當(dāng)pH>12時，反應(yīng)終止。通常將pH控制在7.5~9之間為宜。采用過量氧化劑，將第二階段的反應(yīng)進(jìn)行到底，叫完全氧化法。如果只進(jìn)行第一階段反應(yīng)，叫不完全氧化法。

      （b）廢水氯化脫色

      氯能氧化破壞有機(jī)物的發(fā)色官能團(tuán)，使廢水色度消除，因此氯可用于印染廢水、TNT廢水等的脫色處理。另外在脫色的同時還有可能進(jìn)一步降低廢水的COD。脫色效果與pH以及投氯方式有關(guān)，在堿性條件下效果更好。在pH相同時，用次氯酸鈉比液氯更加有效，操作也更為安全。

      ③臭氧氧化法

      臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，其氧化能力僅次于氟，比氧、氯及高錳酸鹽等常用的氧化劑都高。在廢水處理中可用于除臭、脫色、殺菌、除鐵、除氰化物、除有機(jī)物等。

      廢水中的很多有機(jī)物都易于與臭氧發(fā)生反應(yīng)，例如蛋白質(zhì)、氨基酸、有機(jī)胺、鏈?zhǔn)讲伙柡突衔铩⒎枷阕搴碗s環(huán)化合物、木質(zhì)素、腐殖質(zhì)等。例如酚與臭氧反應(yīng)，首先被氧化成鄰苯二酚：

      接著鄰苯二酚繼續(xù)氧化成鄰醌

      如果在處理過程中有足夠的臭氧，則氧化反應(yīng)將繼續(xù)進(jìn)行下去。在反應(yīng)中只有少量的酚能完全氧化為二氧化碳和水。

      臭氧不僅能夠氧化有機(jī)物，也可用來氧化廢水中的無機(jī)物。例如氟與臭氧反應(yīng)為：

KCN +2O₃=2KCNO +2O₂↑

2KCNO +H₂O +3O₃=2KHCO₃ +N₂↑ +3O₂↑

      影響臭氧氧化法處理效果的主要因素有：污染物的性質(zhì)、濃度、0,的投加方式和投加量、溶液 pH、溫度、反應(yīng)時間等。臭氧的實(shí)際投加量應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

      臭氧氧化法的主要優(yōu)點(diǎn)：

      （a）臭氧對臭味、色度、細(xì)菌、有機(jī)物和無機(jī)物都有顯著的去除效果；

      （b）廢水經(jīng)處理后，殘留于廢水中的臭氧容易自行分解，“一般不產(chǎn)生二次污染，并且能增加水中的溶解氧；

      （c）制備臭氧用的電和空氣不必儲存和運(yùn)輸，操作管理也較方便。

      但這種方法也存在一些缺點(diǎn)：

      （a）臭氧發(fā)生器耗電量較大，運(yùn)行成本較高；

      （b）高濃度臭氧是有毒氣體，對眼及呼吸器官有強(qiáng)烈地刺激作用，因此在操作時應(yīng)該注意個人防護(hù)，并加強(qiáng)通風(fēng)；

      （c）臭氧具有強(qiáng)腐蝕性，與之接觸的容器、管路等均應(yīng)采用耐腐蝕材料或作防腐處理，耐腐蝕材料可用不銹鋼或塑料；

      （d）臭氧的利用率較低，造成投加量增加。這些缺點(diǎn)限制了臭氧在廢水處理中的應(yīng)用，目前臭氧氧化法主要用于低濃度、難降解有機(jī)廢水的處理和消毒殺菌。

      結(jié)語：

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