2.3.1.1　Fenton氧化技术

19世纪末，法国科学家Fenton发现，在酸性水溶液中使用Fe2+和H2O2能够氧化酒石酸，这为水中有机物的氧化反应奠定了理论基础。后来人们将Fe2+和H2O2称为Fenton试剂，而其中发生的化学反应则称为Fenton反应。1934年，Haber和Weiss指出，氢氧自由基（·OH）是Fenton反应体系中产生的活性氧化物质，其产生反应如式（2-1）所示。

Mn++H2O2→M（n+1）++OH-+HO·（M=Fe,Cu,Mn）

（2-1）

进一步的研究证明，Fenton体系的反应实质是一系列自由基的链反应过程，反应中通过Fe2+/Fe3+的循环，不断催化分解H2O2分子，生成具有高氧化性的氢氧自由基。其具有如下特性。

①具有非常高的氧化电极电位（2.8V），电子亲和能达到569.3kJ，故其氧化力远高于一般的氧化剂，能氧化分解绝大多数有机化合物。

②氧化速率快，且对有机物氧化反应几乎无选择性，可实现多种污染物的同步去除。

③氧化反应容易控制，反应条件温和，特别适用于难降解有机污染物，可将其彻底氧化成CO2和水等，表现出绿色化学的特点。在Fenton反应中，辐射光的引入能够促进H2O2分解而产生更多的氢氧自由基，而Fe2+可以在紫外光辐射条件下部分转化为Fe3+，有利于Fe2+转化，进而产生氢氧自由基。这使得在进行Fenton反应时，Fe2+用量低，H2O2利用率高，导致Fenton反应的氧化能力得到进一步强化，表现出其他氧化技术难以超越的优势，因此近几十年来，Fenton氧化技术在水体污染物控制领域受到广泛的关注。

2.3.1.2　非均相Fenton反应光催化剂的作用机制(www.daowen.com)

尽管光Fenton氧化技术在有机污染物氧化去除方面具有很大优势，但是在实际应用过程中发现其存在着pH的范围窄和难以重复利用等问题。为此通常将Fe3+负载于固定材料表面，形成非均相Fenton反应光催化剂，表现出多方面的优势。

①pH应用范围广，能够在中性甚至偏碱性条件下发挥催化降解作用。

②有效地提高H2O2的利用率。

③使用后可从反应体系中分离并重复利用，这解决了均相Fenton反应过程中产生大量铁污泥的问题，减少二次污染的产生并降低了处理成本。

非均相光Fenton反应过程一般包括多个步骤：H2O2和反应物从水相扩散吸附到固体催化剂表面；在催化剂表面H2O2与活性位点形成络合物；生成活性物种对反应物进行降解反应；降解产物脱附离开催化剂返回水相。

非均相Fenton反应光催化剂在氧化降解有机污染物时的作用机理通常可用图2-1表示。

图2-1　非均相Fenton反应光催化剂氧化降解污染物作用原理

含铁矿石或负载铁材料都能够作为非均相光Fenton反应催化剂并得到了广泛研究，已成为近年来国内外高级氧化技术在水污染净化领域的研究热点。制备非均相光Fenton反应催化剂的负载材料包括有无机材料和有机材料。其中作为无机材料的碳纤维、活性炭、沸石和黏土等因具有特殊结构和良好性能而被广泛使用。虽然基于无机载体的非均相光Fenton反应催化剂具有活性强和成本低的优点，然而此类催化剂在制备时需经过离子交换、干燥或煅烧等工艺过程，并且最终多呈粉末状，这使得无机载体非均相Fenton反应催化剂的制备工艺复杂，能源消耗大，成本高且难以回收利用，从而限制了以无机材料为载体的非均相Fenton反应催化剂在实际生产中的应用。比较而言，有机负载材料通常为具有较高机械强度和良好表面性能的聚合物，其中以离子交换树脂和合成纤维居多，它们可以通过配位反应或离子交换等方式负载Fe3+以制备非均相Fenton反应催化剂。其中高分子配体与金属离子特别是Fe3+进行配位反应形成高分子金属配合物的技术是制备非均相Fenton反应催化剂的一个重要方法。目前多种纤维材料如棉纤维PAN纤维、PP纤维和PTFE纤维等经不同的表面改性后，可作为重要的高分子配体制备改性纤维铁配合物，它们都可以用作非均相Fenton反应催化剂并具有优良的光催化性能，在氧化净化含染料等有机污染物废水的过程中发挥着重要作用。基于纤维铁配合物的非均相光Fenton反应光催化剂的活性通常受到配合物的铁配合量、辐射光性质和强度、体系pH和温度以及高分子配体表面性质等因素的影响。其中配合物的铁配合量、辐射光强度和反应温度的提高均能显著提高催化剂的活性。通常在酸性或中性条件下催化剂的活性处于较高的水平，而碱性条件会使其催化活性减弱。此外，高分子配体表面亲水性会使得制备的铁配合物的光催化活性相对较高。