電解Fenton法處理染料廢水之研究

本研究以電解Fenton法處理五家染料製造工廠之綜合廢水，以了解電解Fenton法對染料廢水的處理效果及適用性。研究內容分為三部份，首先探討電流密度、極板間距及過氯酸鹽濃度等操作因子，對電解溶氧產生過氧化氫之影響，其次以實際染料廢水為對象，探討pH、亞鐵離子濃度及電解液中無機鹽類（包括硫酸根與過氯酸根），對電解Fenton處理效果的影響，並比較各工廠不同性質的染料廢水之電解Fenton處理的效果，最後，以不同操作條件的化學沈澱處理，探討對電解Fenton處理後廢水中殘餘溶解鐵和COD的處理效果。

研究結果顯示，極板間距會影響過氧化氫之生成，以0.02 M過氯酸鈉組成之電解液，在極板間距離為3、4、5公分中，距離愈近者，過氧化氫產率愈高；而當過氯酸鈉濃度為0.1 M，則以4公分時，過氧化氫產率較高。在過氯酸鹽濃度的影響方面，當過氯酸鹽濃度愈高，則過氧化氫產率愈低。以電解Fenton法處理廢水方面，在不同pH操作下，以pH=2.5之處理效果較佳，另外，在亞鐵離子添加濃度為200~2000 mg/L中，以2000 mg/L時，COD去除率最佳。至於，過氯酸根與硫酸根的影響，以前者處理效率較高。在不同染料廢水水質的影響中，以COD、氯離子濃度及導電度等項目，對電解Fenton法處理效果的影響最大。在化學沈澱處理方面，比較不同亞鐵離子添加濃度下，電解Fenton處理後廢水中COD去除情形，以Fe²⁺=1000 mg/L時，COD去除率最高，達7.4%；而殘餘溶解鐵的去除條件，以pH=9之平均去除效果最佳，去除率可達99%以上。

二、英文摘要 (Keywords:Electro-Fenton Method, Dye Wastewater, Chemical Precipitation, Hydrogen Peroxide)

　

The purpose of this study was to determine the effectiveness and feasibility of dye wastewaters treated by electro-Fenton method. The experiments divided into three parts. Firstly, to determine the influence of current density, distance between cathode and anode electrodes, and concentration of perchloride ion on the electolytic generation of hydrogen peroxide. Secondly, to explore the effect of pH, concentration of ferrous ion, and inorganic ions such as sulfuric ion and perchloride ion to the performance of electro-Fenton method for dye wastewater treatment. Thirdly, to investigate the efficiency of chemical precipitation for further removal of the remaning dissolved iron and COD from the dye wastewaters, which previously treated by electro-Fenton method.

三、研究緣由與目的

　

目前以具高氧化力之氫氧自由基為氧化劑的高級氧化程序，於處理含有機物廢水的應用方面，仍以Fenton法(Fenton‘s Reagent)較受重視 。工業廢水水質複雜不易掌握，常含濁度、色度等物質，而這些物質會干擾紫外線穿透水體的能力，故如UV/O₃、H₂O₂/UV等，常用於處理受污染地下水等水質較清澈之水體的高級氧化程序，則較不適用於處理工業廢水。

Fenton法原理簡單，係利用亞鐵離子與過氧化氫反應產生氫氧自由基，作為氧化有機物之強氧化劑，在適當的操作條件下，幾可將有機物分解並氧化成二氧化碳及水等最終產物。由於Fenton法須添加亞鐵離子，故於處理水中，易殘存受放流水水質標準管制的鐵離子，所以，經Fenton程序處理後，通常可利用化學沈澱法去除鐵離子，且鐵離子本身為常用混凝劑的成分之一，如氯化鐵、硫酸鐵等，故可兼具混凝處理之效果，如此，除可降低鐵離子濃度外，亦可同時去除部分有機物及增加透視度，故Fenton法之發展性倍受重視。

電解Fenton法因具有Fenton法之多數優點，且過氧化氫可藉電解產生，省卻添加過氧化氫的麻煩，同時可避免過氧化氫貯存與運送之潛在危險性，此法對於偏遠地區更加有利。另外，據文獻研究顯示，電解Fenton法於處理污染物或實際工業廢水之可行性亦已獲得證實，能達到一定之處理效果。吳宗南(1996)以電解Fenton法處理具高COD、色度及氯鹽的染料廢水，顯示除含較高濃度COD與氯鹽的製程廢水，經長時間處理後，效果仍不彰外，對於COD與氯鹽濃度較低的綜合廢水，經一定電解時間後，配合後續混凝處理，已能使放流水水質符合國內87年放流水標準，即COD低於100mg/L及透視度15公分以上的規定。然而，電解Fenton法於處理染料廢水之相關影響因素，所知仍嫌不足，尚待進一步廣泛且深入之研究。

四、研究方法

　

影響電解Fenton法之成效者，主要可分成電解產生過氧化氫及降解廢水中有機物等兩部分。本研究將由文獻資料中，已知會影響電解Fenton法之相關因子，針對本雙槽式電解系統（如圖1）及不同水質特性之染料廢水，探討變化若干操作因子，以獲取本研究目的，欲了解之事項，據此將實驗規劃內容，分為以下三個部分：

1. 過氧化氫生成實驗

由文獻整理，一般電解Fenton系統常用之硫酸或硫酸鹽電解液會抑制過氧化氫生成、競爭氫氧自由基或與鐵離子形成錯合物等現象發生，而過氯酸鹽較不會與鐵鹽生成錯合物，故本研究之電解液以過氯酸鈉溶於純水配製而成，在一定氧氣流量及pH值下，分別改變「電流密度」、「過氯酸鈉濃度」及「陰陽電極板的距離」等操作參數之數值大小進行電解，並分析過氧化氫累積濃度，以獲致較佳過氧化氫生成速率的操作條件。

2. 電解Fenton法處理實際染料廢水實驗

針對電解Fenton法處理廢水的實驗部分，將探討pH、亞鐵離子濃度、電解液中無機鹽類（包括硫酸根與過氯酸根）及原廢水稀釋不同倍數後，對電解Fenton處理效果的影響，並比較各工廠不同性質的染料廢水之電解Fenton處理的效果。

3. 化學沈澱實驗

由於電解Fenton法須添加亞鐵離子，故於處理水中，易殘存受放流水水質標準管制的鐵離子，所以，經電解Fenton處理後，通常可利用化學沈澱法去除鐵離子，且鐵離子本身為常用混凝劑的成分之一，如氯化鐵、硫酸鐵等，故可兼具混凝處理之效果，如此，除可降低鐵離子濃度外，亦可同時去除部分有機物及增加透視度。本實驗之作法，以變化鹼劑種類、pH、助凝劑及其添加量等因子，以決定較佳的操作條件。

五、結果與討論

　

陰陽電極板間距離會影響過氧化氫生成速率，實驗結果顯示，以0.02 M過氯酸鈉組成之電解液，在極板間距離為3、4、5公分中，距離愈近，過氧化氫產率愈高（如圖2）；而於0.1 M過氯酸鈉電解液中，極板間距離，則以4公分時，過氧化氫產率較高。

高濃度過氯酸鹽會抑制過氧化氫之生成，故於電解Fenton法中，以過氯酸亞鐵為亞鐵離子時，當操作上，需添加高濃度亞鐵離子時，應顧慮此問題。

比較硫酸根系統與過氯酸根系統，對電解Fenton法處理染料廢水的效率時，以過氯酸根系統之效率較佳（如圖3），此與過氯酸根本身及其衍生物，具有氧化力有關。但比較化學沈澱去除COD的效果時，則以硫酸根系統為佳。

染料廢水的性質影響電解Fenton法之處理效果甚鉅，特別在COD、氯離子及導電度等水質項目。廢水之COD值過低，其處理效率反而不佳，在適宜的COD和氯離子濃度範圍內，氯離子和COD比值(Cl^-/COD)愈低者，處理效率愈佳。

在化學沈澱處理方面，比較不同亞鐵離子添加濃度下，電解Fenton處理後廢水中COD去除情形，以Fe²⁺=1000 mg/L時，COD去除率最高，達7.4%；而殘餘溶解鐵的去除條件，以pH=9之平均去除效果最佳，去除率可達99%以上。

由於電解產生過氧化氫之氧氣利用率低，以經濟觀點而言，未來應針對如何提高氧氣效率，深入探討，以提升電解Fenton法之實用性。

本研究電解槽之陽極槽電解液以過氯酸鈉組成，於電解過程中會聞及似氯氣之消毒水味道，故需於通風櫥中進行實驗。基於此點，是否可以其他電解質取代之，即對於陽極電解液種類的不同，是否會影響電解Fenton法處理廢水的效果，值得未來深入之研究。

根據本研究之初步結果得知，導電度會影響電解Fenton法之處理效果，故對於低導電度廢水，是否可藉添加，不會抑制氫氧自由基作用的電解質，以提高導電度，進而提升處理效果，此點值得進一步探討之。

基於經濟因素，低COD濃度的染料廢水，並不適合以電解Fenton法處理之，應另尋其他適宜的處理技術，以符合經濟效益。

本研究系統含有多量的過氯酸根，於處理含有機污染物的染料廢水過程中，是否會產生似消毒副產物的物質，有待確認之。

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六、參考文獻

　

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