氧化还原电位

氧化还原电位

第一节 概 述

化学氧化还原是转化废水中污染物的有效方法。废水中呈溶解状态的无机物和有机物，通过化学反应被氧化或还原为微毒、无毒的物质，或者转化成容易与水分离的形态，从而达到处理的目的。

按照污染物的净化原理，氧化还原处理方法包括药剂法、电化学法(电解)和光化学法三大类。在选择处理药剂和方法时，应当遵循下面一些原则：

①处理效果好，反应产物无毒无害，不需进行二次处理。

②处理费用合理，所需药剂与材料易得。

②操作特性好，在常温和较宽的pH 值范围内具有较快的反应速度；当提高反应温度和压力后，其处理效率和速度的提高能克服费用增加的不足；当负荷变化后，通过调整操作参数，可维持稳定的处理效果。

④与前后处理工序的目标一致，搭配方便。

与生物氧化法相比，化学氧化还原法需较高的运行费用。因此，目前化学氧化还原法仅用于饮用水处理、特种工业用水处理、有毒工业废水处理和以回用为目的的废水深度处理等有限场合。

简单无机物的化学氧化还原过程的实质是电子转移。失去电子的元素被氧化，是还原剂；得到电子的元素被还原，是氧化剂。在一个化学反应中，氧化和还原是同时发生的，某一元素失去电子，必定有另一元素得到电子。氧化剂的氧化能力和还原剂的还原能力是相对的，其强度可以用相应的氧化还原电位的数值来比较。许多种物质的标准电极电位θ

E 值可以在化学书中查到(本书引用还原电位)。θE 值愈大，物质的氧化性愈强，θ

E 值愈小，其还原性愈强。例如，

()V S S E 36.1//2=-θ，其氧化态Cl 2转化为Cl -时，可以作为较强的氧化剂。相反，()V S S E 48.0//2-=-θ，其还原态S 2-转化为氧化态S 时，可以作为较强的还原剂。两个电对的电位差愈大，氧化还原反应进行得越完全。

标准电极电位θE 是在标准状况下测定的，但在实际应用中，反应条件往往与标准状况不同，在实际的物质浓度、温度和pH 值条件下，物质的氧化还原电位可用能斯特方程来计算：

[][]还原态氧化态ln nF RT E E +=θ (6-1)

式中n 为反应中电子转移的数目。

应用标准电极电位θ

E ，还可求出氧化还原反应的平衡常数K 和自由能变化ΔG θ ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=RT nFE K θ

exp (6-2)

K RT nFE G ln -=-=∆θθ (6—3)

式(6-2)，式(6-3)表明氧化还原反应在热力学上的可能性和进行的程度。

对于有机物的氧化还原过程，由于涉及共价键，电子的移动情形很复杂。许多反应并不发生电子的直接转移。只是原子周围的电子云密度发生变化。目前还没有建立电子云密度变化与氧化还原反应的方向和程度之间的定量关系。因此，在实际上，凡是加氧或脱氢的反应称为氧化，而加氢或脱氧的反应则称为还原，凡是与强氧化剂作用而使有机物分解成简单的无机物如CO 2、H 2O 等的反应，可判断为氧化反应。

有机物氧化为简单无机物是逐步完成的，这个过程称为有机物的降解。甲烷的降解大致经历下列步骤：

无机物酸醛醇烷⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+→→→→O

H CO HCOOH O CH OH CH CH 22234

复杂有机化合物的降解历程和中间产物更为复杂。通常碳水化合物氧化的最终产物是

CO 2和H 2O ，含氮有机物的氧化产物除CO 2和H 2O 外，还会有硝酸类产物，含硫的还会有硫酸类产物，含磷的还会有磷酸类产物。

各类有机物的可氧化性是不同的。经验表明，酚类、醛类、芳胺类和某些有机硫化物(如硫醇、硫醚)等易于氧化；醇类、酸类、酯类、烷基取代的芳烃化合物(如“三苯”)、硝基取代的芳烃化合物(如硝基苯)、不饱和烃类、碳水化合物等在一定条件(强酸、强碱或催化剂)下可以氧化，而饱和烃类、卤代烃类、合成高分子聚合物等难以氧化。

第二节 化学氧化法

一、氧化剂

投加化学氧化剂可以处理废水中的CN -、S 2-、Fe 2+、Mn 2+等离子。

采用的氧化剂包括下列几类。

①在接受电子后还原成负离子的中性分子，如Cl 2、O 2、O 3等。

②带正电荷的离子，接受电子后还原成负离子，如漂白粉的次氯酸根中的Cl +变为Cl -。

③带正电荷的离子，接受电子后还原成带较低正电荷的离子，如MnO 4中的Mn 7+变为Mn 2+，

Fe 3+变为Fe 2+等。

二、空气氧化

空气氧化法就是把空气鼓入废水中，利用空气中的氧气氧化废水中的污染物。从热力学上分析，空气氧化法具有以下特点。

①电对O 2/O 2-的半反应式中有H +或OH -离子参加，因而氧化还原电位与pH 值有关。在强

碱性溶液(pH ＝14)中，半反应式为--⇔++OH e O H O 44222，E θ＝0.401V ；在中性(pH ＝

7)和强酸性(pH=0)溶液中，半反应式为

O H e H O 22244⇔++-+，E θ分别为0.815V 和l.229V 。由此可见，降低pH 值，有利于空气氧化。

②在常温常压和中性pH 值条件下，分子氧O 2为弱氧化剂，反应性很低，故常用来处理

易氧化的污染物、如S 2-、Fe 2+、Mn 2+等。

③提高温度和氧分压，可以增大电极电位；添加催化剂，可以降低反应活化能，都利于氧化反应的进行。

1．地下水除铁、锰

在缺氧的地下水中常出现二价铁和锰。通过曝气，可以将它们分别氧化为Fe(OH)3和MnO 2沉淀物。

除铁的反应式为：

()+++↓⇔++H OH Fe O H O Fe 4252/123222

考虑水中的碱度作用，总反应式可写为：

()23223284284CO OH Fe O H O HCO Fe +↓→+++-+ 按此式计算，每氧化lmg/L Fe 2+，仅需O.143mg ／L O 2。

实验表明，上述反应的动力学方程为

[][][]2

222O p OH Fe k dt Fe d -++= (6—4)

式中p O2为空气中的氧气分压。

由式(6-4)可知，氧化速度与羟离子浓度平方成正比。即pH 值每升高1单位，氧化速度将加快100倍。在pH ≤6.5条件下，氧化速度相当缓慢。因此，当水中含CO 2浓度较高时，

必须增大曝气量以驱除CO 2；当水中含有大量SO 42-时。FeSO 4的水解将产生H 2SO 4，此时可用

石灰进行硫化处理，同时曝气除铁。式中速度常数k 为1.5×108L 2/(mol 2．Pa ·min)。积分

上式可求出在一定条件下达到指定去除率所需的氧化反应时间。如当pH 分别为6.9和7.2，

空气中氧分压为2×lO 4Pa ，水温20℃时，欲使Fe 2+去除90％，所需的时间分别为43和8min 。

地下水除锰比除铁困难。实践证明，Mn 2+在pH ＝7左右的水中很难被溶解氧氧化成MnO 2，

要使Mn 2+氧化，需将水的pH 值提高到9.5以上。在pH=9.5，氧分压为O.1MPa 水温25℃时,欲使Mn 2+去除90％，需要反应50min 。若利用空气代替氧气，即使总压力相同，反应时间需增加5倍。可见，在相似条件下，二价锰的氧化速度明显慢于二价铁。为了有效除锰，需要

寻找催化剂或更强的氧化剂。研究指出，MnO 2对Mn 2+的氧化具有催化作用．大致历程为