1. 高級(jí)氧化技術(shù)的定義：利用強(qiáng)氧化性的自由基來(lái)降解有機(jī)污染物的技術(shù)，泛指反應(yīng)過(guò)程有大量羥基自由基參與的化學(xué)氧化技術(shù)。其基礎(chǔ)在于運(yùn)用催化劑、輻射，有時(shí)還與氧化劑結(jié)合，在反應(yīng)中產(chǎn)生活性極強(qiáng)的自由基(一般為羥基自由基，· OH)，再通過(guò)自由基與污染物之間的加合、取代、電子轉(zhuǎn)移等使污染物全部或接近全部礦質(zhì)化。·OH反應(yīng)是高級(jí)氧化反應(yīng)的根本特點(diǎn)。

　　2. 高級(jí)氧化方法及其作用機(jī)理是通過(guò)不同途徑產(chǎn)生·OH自由基的過(guò)程。·OH自由基一旦形成，會(huì)誘發(fā)一系列的自由基鏈反應(yīng)，攻擊水體中的各種有機(jī)污染物，直至降解為二氧化碳、水和其它礦物鹽。可以說(shuō)高級(jí)氧化技術(shù)是以產(chǎn)生·OH自由基為標(biāo)志。

　　3. 高級(jí)氧化技術(shù)有什么特點(diǎn)?

　　①反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量氫氧自由基·OH;

　　②反應(yīng)速度快;

　　③適用范圍廣，·OH幾乎可將所有有機(jī)物氧化直至礦化,不會(huì)產(chǎn)生二次污染;

　　④可誘發(fā)鏈反應(yīng);

　　⑤可作為生物處理過(guò)程的預(yù)處理手段,使難以通過(guò)生物降解的有機(jī)物可生化性提高,從而有利于生物法的進(jìn)一步降解;

　　⑥操作簡(jiǎn)單,易于控制和管理。

　　4. ·OH自由基的優(yōu)點(diǎn)

　　①選擇性小，反應(yīng)速度快;

　　②氧化能力強(qiáng);

　　③處理效率高;

　　④氧化徹底。

　　5.高級(jí)氧化技術(shù)分為哪幾類?

　　①化學(xué)氧化法：臭氧氧化/Fenton氧化/高鐵氧化

　　②電化學(xué)氧化法

　　③濕式氧化法 ：濕式空氣氧化法/濕式空氣催化氧化法

　　④超臨界水氧化法

　　⑤光催化氧化法

　　⑥超聲波氧化法

　　⑦過(guò)硫酸鹽氧化法

　　6.自由基與污染物反應(yīng)的四種主要方式:氫抽提反應(yīng)、加成反應(yīng)、電子轉(zhuǎn)移、(氧化分解)。

　　自由基反應(yīng)的三個(gè)階段：鏈的引發(fā)、鏈的傳遞、鏈的終止

　　自由基反應(yīng)具有無(wú)選擇性，反應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

　　7. 產(chǎn)生羥基自由基的途徑：Fe2+/H2O2 、 UV/H2O2 、 H2O2/O3 、 UV/O3 、 UV/H2O2/O3 、光催化氧化(TiO2光催化氧化反應(yīng)機(jī)理:產(chǎn)生空穴和電子對(duì))，對(duì)有機(jī)物降解速率由快到慢依次為UV-Fenton、 Fenton、 O3/US、O3、O3/UV、UV/H2O2、UV。

　　8. Fenton試劑：亞鐵離子(Fe2+)和過(guò)氧化氫(H2O2)的組合。

　　Fenton反應(yīng)： Fenton反應(yīng)是以亞鐵離子作為催化劑來(lái)催化過(guò)氧化氫(H2O2)，使其產(chǎn)生羥基自由基(·OH)，進(jìn)行有機(jī)物的氧化，羥基自由基具有強(qiáng)的氧化能力，可與大部分的芳香族有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)亞鐵離子氧化成鐵離子(Fe3+)，(鐵離子有混凝作用也可去除部分有機(jī)物)鐵離子又會(huì)與雙氧水反應(yīng)，并還原成亞鐵離子(Fe2+).

　　反應(yīng)機(jī)理：H2O2與Fe2+反應(yīng)分解生成羥基自由基(·OH)和氫氧根離子(OH-)，并引發(fā)連鎖反應(yīng)從而產(chǎn)生更多的其它自由基，然后利用這些自由基進(jìn)攻有機(jī)質(zhì)分子，從而破壞有機(jī)質(zhì)分子并使其礦化直至轉(zhuǎn)化為CO2、H2O等無(wú)機(jī)質(zhì)(Fenton試劑在廢水處理中主要用于去除COD、色度和泡沫等)。

　　Fe2+ + H2O2 → · OH + OH- + Fe3+

　　Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + ·HO2 + H+

　　9. 影響Fenton試劑氧化能力的因素：

　　①催化劑種類及投加方式，F(xiàn)e2+(Fe3+、鐵粉、鐵屑)、 Fe2+/TiO2/Cu2+/Mn2+/Ag+、活性炭等均有一定的催化能力，F(xiàn)eS04·7H20最常用。

　　②過(guò)氧化氫濃度及投加方式，均勻分批投加。

　　③反應(yīng)溫度(芬頓試劑的反應(yīng)速率隨溫度上升而增加，但是溫度高于40℃~50℃之后，會(huì)加速分解為O2和H2O，因此多控制在20℃~40℃中發(fā)生)。

　　④溶液的pH值， pH 2-4為Fenton反應(yīng)的最佳范圍。

　　⑤反應(yīng)時(shí)間。

　　10.類Fenton試劑：改性-Fenton試劑、光-Fenton試劑、電-Fenton試劑、配體-Fenton試劑等。Fe(Ⅲ)鹽溶液、可溶性鐵以及鐵的氧化礦物(如赤鐵礦、針鐵礦等)同樣可使H2O2催化分解產(chǎn)生·OH，達(dá)到降解有機(jī)物的目的，以這類催化劑組成的Fenton試劑，稱為類Fenton試劑(改性Fenton試劑，因其鐵的來(lái)源較為廣泛)。

　　由于Fenton法處理廢水所需時(shí)間長(zhǎng)，使用的試劑量多，而且過(guò)量的Fe2+將增大處理后廢水中的COD并產(chǎn)生二次污染。近年來(lái)，人們將紫外光、可見(jiàn)光等引入Fenton體系并研究采用其它過(guò)渡金屬替代Fe2+,這些方法可顯著增Fenton試劑對(duì)有機(jī)物的氧化降解能力，并可減少Fenton試劑的用量，降低處理成本被統(tǒng)稱為類Fenton反應(yīng)。

　　11.增強(qiáng)fenton反應(yīng)活性的方法：

　　①加入草酸鹽和檸檬酸;

　　②與其他處理方法聯(lián)用，如生物法、混凝法;

　　③加入絡(luò)合劑，如EDTA等;

　　④Mn2+、Co3+。(混凝沉降法、活性炭法、生物法、UV)

　　Fenton試劑在廢水處理中的應(yīng)用：處理染料廢水;處理含氯酚廢水;處理垃圾填埋滲濾液;處理制藥廢水。

　　12.氧化電位

　　13.臭氧氧化的定義：臭氧具有極強(qiáng)的氧化性能，臭氧分子中的氧原子具有強(qiáng)烈的親電子或親質(zhì)子性，臭氧分解會(huì)產(chǎn)生的新生態(tài)氧原子和在水中形成具有強(qiáng)氧化作用的羥基自由基·OH來(lái)氧化分解水中的污染物。

　　14.臭氧與有機(jī)物的反應(yīng)途徑(或機(jī)理)

　　◆直接反應(yīng)：污染物+ O3→產(chǎn)物或中間物(有選擇性，速度慢);

　　◆間接反應(yīng)：污染物+ HO·→產(chǎn)物或中間物(無(wú)選擇性，HO·(E0=2.8V)電位高，反應(yīng)能力強(qiáng)，速度快，可引發(fā)鏈反應(yīng)，使許多有機(jī)物徹底降解)

　　15.臭氧氧化性能的影響因素：臭氧化混合氣進(jìn)氣量、攪拌速度

　　溶液pH、有機(jī)物濃度、溶液溫度、催化劑、投加方式

　　16. 增強(qiáng)臭氧氧化的措施方法：

　　①改變臭氧化混合氣的進(jìn)氣量，就是改變單位時(shí)間內(nèi)的臭氧投加量，在有機(jī)負(fù)荷一定的條件下，就是改變反應(yīng)過(guò)程中臭氧和有機(jī)物的投加比，在有機(jī)物濃度一定、連續(xù)地通入臭氧化混合氣的半連續(xù)半間歇操作中，隨單位時(shí)間內(nèi)臭氧通入量的增加，有機(jī)物氧化反應(yīng)速率相應(yīng)提高。

　　② 超聲強(qiáng)化臭氧氧化技術(shù)。

　　③金屬催化臭氧化技術(shù)、在臭氧水處理體系中，加入一定量的Fe2+、Mn2+、Co2+、Ni2+或Co2+的硫酸鹽。

　　④臭氧與其他常規(guī)水處理單元結(jié)合比如O3-活性污泥、O3-活性炭吸附、O3-絮凝-膜處理、O3-絮凝-O3、O3-氣浮(吹脫)、O3-生物活性炭、O3-膜處理。

　　幾種臭氧處理單元自身的改進(jìn)：

　　(1) O3/U V高級(jí)氧化技術(shù)

　　(2) O3/H2O2高級(jí)氧化技術(shù)

　　(3) O3/H2O2/UV

　　(4)臭氧/活性炭協(xié)同降解有機(jī)物處理技術(shù)

　　(5)超聲強(qiáng)化臭氧氧化技術(shù)

　　17. 臭氧在水處理中的應(yīng)用——飲用水處理/廢水處理/去除染料和印染廢水的色度和難降解有機(jī)物/處理含金屬離子廢水/循環(huán)冷卻水的處理。

　　在飲用水處理中，臭氧主要用于三個(gè)方面:1)臭氧預(yù)處理，在常規(guī)凈水工藝前增設(shè)臭氧工藝;2)臭氧-生物活性炭處理，O3與顆粒活性炭結(jié)合，在常規(guī)凈水工藝后，對(duì)水作深度處理，以除去各種有機(jī)物和色、嗅、味等;3)臭氧消毒，用以代替氯對(duì)水進(jìn)行消毒

　　18.與化學(xué)藥劑處理法相比，臭氧法具有以下特點(diǎn)：

　　能有效地控制有機(jī)微生物，使循環(huán)水中的COD和AOX的數(shù)量都被抑制在很低的水平，從而得到優(yōu)良的水質(zhì);系統(tǒng)能在高濃縮倍數(shù)下運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)零排污，節(jié)約水量，比化學(xué)藥劑法節(jié)約1/2-2/3;系統(tǒng)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，同時(shí)，系統(tǒng)中原來(lái)形成的垢也能被有效去除;臭氧對(duì)系統(tǒng)具有良好的緩蝕作用;適應(yīng)pH值范圍寬;運(yùn)行費(fèi)用大大低于化學(xué)藥劑。

　　19.硫酸根自由基定義：硫酸根自由基(SO4-·)

　　是具有較高氧化還原電位的自由基(E0=2.5v-3.1v)，因此硫酸根自由基被認(rèn)為在理想的條件下可以氧化絕大多數(shù)的有機(jī)物。通常是利用分解Oxone或過(guò)硫酸鹽的方式產(chǎn)生硫酸根自由基。

　　20.硫酸根自由基的活化生成：加熱活化法;過(guò)渡金屬離子活化法;UV活化法;FeO活化法;活性炭活化法;納米Fe3O4活化法;氫氧化亞鐵溶膠活化;(單過(guò)硫酸氫鹽可經(jīng)光、熱、催化等方式激發(fā)后，雙氧鍵斷裂，產(chǎn)生硫酸根自由基(SO4-? )。活化原理如式：

　　SO52- +heat/UV/其他 → SO4-? +【O】)

　　21.硫酸根與有機(jī)物的一般作用方式：奪氫作用、電子轉(zhuǎn)移作用、加成作用、(氧化作用)

　　22. 濕式氧化法：在高溫(150-350℃)和高壓(5-20MPa)下，用氧氣或空氣作為氧化劑，氧化水中溶解態(tài)或懸浮態(tài)的有機(jī)物或還原態(tài)的無(wú)機(jī)物，生成二氧化碳和水等小分子物質(zhì)的技術(shù)。

　　23. 催化濕式氧化技術(shù)：在傳統(tǒng)的濕式氧化處理體系中加入催化劑降低反應(yīng)的活化能，從而在不降低處理效果的情況下，降低反應(yīng)溫度和壓力,用氧氣或空氣作為氧化劑，氧化水中溶解態(tài)或懸浮態(tài)的有機(jī)物或還原態(tài)的無(wú)機(jī)物，生成二氧化碳和水等小分子物質(zhì)的技術(shù).

　　24. 典型的濕法氧化工藝流程圖：

　　25.光催化的定義：就是光催化劑在光的作用下發(fā)生催化作用概括說(shuō)來(lái)。半導(dǎo)體材料在光的照射下，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并促進(jìn)有機(jī)物的分解，這一過(guò)程稱為光催化。

　　◎光催化劑：一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。利用光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，產(chǎn)生催化作用，使周圍的氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的自由基或負(fù)離子。

　　◎光催化劑在光照條件(可以是不同波長(zhǎng)的光照)下所起到催化作用的化學(xué)反應(yīng)，統(tǒng)稱為光催化反應(yīng)。

　　◎光催化一般是多種相態(tài)之間的催化反應(yīng)。

　　26. 為什么要求TiO2光催化對(duì)很多有機(jī)物有較強(qiáng)的吸附作用?

　　答：TiO2光催化分解水中污染物的過(guò)程中,表面產(chǎn)生的OH?基團(tuán)起著決定性的作用,因而參加反應(yīng)的物質(zhì)以吸附在表面上的為主。有機(jī)物在催化劑表面被氧化要經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、吸附、表面反應(yīng)以及脫附等步驟。

　　27.光催化技術(shù)的技術(shù)特征：

　　①低溫深度反應(yīng);

　　②綠色能源;

　　③氧化性強(qiáng);

　　④壽命長(zhǎng);

　　⑤廣譜性。

　　光觸媒(光催化)的作用：

　　①抗菌性;

　　②空氣凈化;

　　③除臭;

　　④防霉防藻;

　　⑤防污自潔。

　　28. TiO2光催化材料的特性:

　　①合適的半導(dǎo)體禁帶寬度;

　　②具有良好的抗光腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性;

　　③廉價(jià)，原料來(lái)源豐富，成本低;

　　④光催化活性高(吸收紫外光性能強(qiáng);禁帶和導(dǎo)帶之間的能隙大，光生電子的還原性和空穴的氧化性強(qiáng));

　　⑤對(duì)很多有機(jī)污染物有較強(qiáng)的吸附作用。

　　29. TiO2光催化劑的改良：(促成·OH的生成與提高電子-空穴對(duì)分離效率是提高光催化氧化反應(yīng)速率和效率的重要途徑)。

　　①TiO2表面貴金屬沉積;

　　②金屬離子摻雜，金屬離子摻雜把金屬離子引入到TiO2的晶格缺陷位置，金屬離子是電子的良好接受體，可以捕獲電子，由于金屬離子對(duì)電子的爭(zhēng)奪，減少了TiO2中光生電子和空穴的復(fù)合幾率，而產(chǎn)生更多的·OH，提高光催化效率;

　　③加入氧化劑，向體系中加入氧化劑，使得催化劑表面的電子被氧化劑捕獲，可以有效地抑制電子和空穴復(fù)合，提高光催化的效率;常用的氧化劑有O3，O2，H2O2，F(xiàn)e3+等;

　　④復(fù)合光催化劑;

　　⑤添加光敏化劑，光敏化劑作用是將光活性化合物化學(xué)吸附或物理吸附于光催化劑表面，從而擴(kuò)大激發(fā)波長(zhǎng)范圍，增加光催化反應(yīng)的效率。

　　30. TiO2在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷：

　　①光生載流子容易重新復(fù)合，導(dǎo)致光量子效率很低。

　　②帶隙能較寬，只能被波長(zhǎng)較短的紫外線激發(fā)，這些紫外線占太陽(yáng)能射線的4%~5%，太陽(yáng)能利用率較低

　　31.

　　32.硫酸根自由基用在水處理中的優(yōu)點(diǎn)：

　　①具有極強(qiáng)的氧化性;

　　②更易溶于水溶液中，便于產(chǎn)生的硫酸根自由基快速與水中的有機(jī)接觸并產(chǎn)生氧化作用，混溶性良好，使分解速率更高;

　　③性質(zhì)穩(wěn)定，便于存放;

　　④可適應(yīng)的pH范圍較廣(pH=2-10)，這增大可以處理廢水的范圍，不論酸性、堿性廢水，都對(duì)硫酸根自由基的反應(yīng)活性影響不大;

　　⑤不揮發(fā)或不產(chǎn)生氣體，不會(huì)導(dǎo)致濃度因?yàn)閾]發(fā)降低硫酸根自由基的產(chǎn)量;

　　⑥在水溶液中存在更長(zhǎng)時(shí)間，一般情況存活時(shí)間可達(dá)到約4s左右的半衰期，較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為其更多的降解有機(jī)污染物贏得了時(shí)間。

　　33.例題：TiO2在紫外光的作用下，可以降解活性染料X3B。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在溶液中加入少量的Fe3+后，X3B的降解速率大大增加。試解釋原因。

　　答：Fe3+奪取光生電子的能力要大于分子氧。Fe3+通過(guò)快速轉(zhuǎn)移光生電子，抑制了載流子的復(fù)合，增加了空穴濃度。因此，X3B的降解速率大大加快。

　　34. 什么是高級(jí)氧化技術(shù)?環(huán)境光催化技術(shù)的共性?

　　答：高級(jí)氧化技術(shù)是指以羥基自由基為主要氧化物種的氧化過(guò)程。常用的高級(jí)氧化技術(shù)有TiO2光催化、雜多酸光催化、Photo-fenton反應(yīng)、Fe3+光解和酞菁光敏化等。這些光催化技術(shù)的共性是產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的活性氧物種，如空穴(h+)、羥基自由基(?OH)、單線態(tài)氧(O21)和超氧自由基(O2?-)等。在這些活性物種的作用下，有機(jī)污染物不停地發(fā)生氧化降解，直至徹底礦化。

　　35. Photo-fenton反應(yīng)降解有機(jī)污染物的原理?

　　Fenton反應(yīng)原理：

　　Fe2+離子能促進(jìn)H2O2的分解，產(chǎn)生羥基自由基，自身被氧化為Fe3+。Fe3+也可以被H2O2還原，實(shí)現(xiàn)自身的循環(huán)，而H2O2被氧化為超氧自由基。羥基自由基和超氧自由基具有很強(qiáng)的氧化能力，使水中的有機(jī)污染物發(fā)生降解和礦化。

　　在光的作用下，F(xiàn)enton反應(yīng)的速率大大加快。因而，有光參與的Fenton反應(yīng)，又被稱為Photo-fenton反應(yīng)。

　　36. 貴金屬表面沉積對(duì)TiO2光活性有什么影響?

　　答：貴金屬通過(guò)改變電子的分布而修飾了半導(dǎo)體的性質(zhì)。當(dāng)兩種物質(zhì)接觸時(shí)，電子就會(huì)不斷地從TiO2向沉積金屬遷移。貴金屬負(fù)載，可以電子和空穴分別定域在貴金屬和半導(dǎo)體上。抑制復(fù)合，高光催化活性。

　　37. 半導(dǎo)體TiO2受光激發(fā)后，電子和空穴的命運(yùn)有哪幾種 ?

　　答：(a)受光激發(fā)，電子-空穴對(duì)分離;(b)空穴擴(kuò)散到催化劑表面，氧化有機(jī)物;(c)電子擴(kuò)散到催化劑表面，還原分子氧;(d)電子-空穴的表面復(fù)合;(e)電子-空穴的體相復(fù)合

　　38. 簡(jiǎn)述TiO2溶液中，可見(jiàn)光照射下的染料自敏化降解的原理

　　答：在可見(jiàn)光的照射下，TiO2通常不能被激發(fā)，但染料分子可以被激發(fā)。(1)激發(fā)態(tài)的分子可以向二氧化鈦導(dǎo)帶注入電子，該電子被吸附在TiO2表面的分子氧俘獲，生存超氧負(fù)離子自由基。(2)超氧負(fù)離子自由基可以氧化染料陽(yáng)離子，使它發(fā)生氧化降解。超氧負(fù)離子自由基也可以逐漸轉(zhuǎn)化為羥基自由基，再去氧化染料分子而發(fā)生降解。

　　39. 非金屬(如氮)摻雜TiO2有什么意義?其原理?摻雜TiO2方法的缺陷?

　　答：非金屬摻雜通過(guò)在TiO2的禁帶中間引入摻雜能級(jí)，效縮小TiO2的禁帶寬度，使TiO2的激發(fā)波長(zhǎng)從紫外區(qū)拓展到可見(jiàn)光區(qū)，提高了可見(jiàn)光的催化活性。

　　缺點(diǎn)：

　　①催化劑的穩(wěn)定性下降;

　　②空穴的氧化能力減弱;

　　③可能犧牲催化劑的紫外光催化活性。