Phương pháp Fenton điện hóa tạo ra tại chỗ các tác nhân oxy hóa như hydro peoxit hoặc gốc hydroxyl [40,74,75] đã được phát triển trong các năm gần đây để xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ.
Hiệu ứng Fenton điện hóa khác so với các phương pháp oxy hóa tiên tiến khác là hình thành gốc hydroxyl do phản ứng Fenton (phản ứng 1.6) xảy ra dưới sự hỗ trợ của dòng điện. Ưu điểm chính của quá trình này là dưới tác dụng của dòng điện, cùng một lúc hydro peoxit có thể được tạo ra nhờ phản ứng khử oxy hòa tan trên điện cực catôt (phản ứng 1.44) và chất xúc tác ion
sắt Fe2+ được tái tạo nhờ phản ứng khử điện hóa (phản ứng 1.45) và cho phép tăng hiệu quả quá trình Fenton.
O2 + 2H+ + 2e → H2O2 (1.44) Fe3+ + e → Fe2+ (1.45)
Quá trình khử oxy hoà tan diễn ra theo cơ chế nhận 2 electron tạo H2O2
hoặc nhận 4 electron tạo -OH phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm catôt. Do đó vật liệu điện cực có khả năng xúc tác điện hóa cho phản ứng khử oxy tạo H2O2
là một trong các yếu tố quan trọng nhất, quyết định hiệu suất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton điện hóa. Bên cạnh đó, các tiêu chí cơ bản cho sự lựa chọn vật liệu điện cực phải có quá thế hydro lớn đối với điện cực catôt và quá thế oxy lớn đối với quá trình anôt.
- Điện cực anôt: Thường sử dụng nhiều nhất là Pt, ngoài ra còn có thể sử dụng các loại vật liệu khác như PbO2, kim cương pha tạp nguyên tố Bo (BDD). Khi sử dụng điện cực anôt platin, phản ứng oxy hóa nước giải phóng oxy có thể xảy ra theo phản ứng 1.46, lượng oxy này được khuếch tán sang catôt làm tăng hiệu suất phản ứng tạo hydro peoxit ở catôt. Các phản ứng này hoàn toàn được điều khiển bởi dòng điện.
2H2O O2 + 4H+ + 4e (1.46)
- Điện cực catôt: Phản ứng tạo H2O2 trong dung dịch lỏng chỉ được đảm bảo bởi phản ứng khử hai điện tử của phân tử oxy trên điện cực catôt thích hợp như điện cực thủy ngân, graphit, phớt cacbon hoặc catôt khuếch tán oxy [76-77].
Khi sử dụng phớt cacbon làm điện cực catôt, do diện tích bề mặt lớn, oxy dễ dàng khử trên điện cực catôt tạo hydro peoxit với lượng gấp 10 lần so với cacbon kính. Tuy nhiên Grimm và cộng sự [78] cho rằng độ xốp của vật liệu điện cực lại làm giảm hiệu quả của quá trình chuyển khối các chất ô nhiễm đến bên trong các lỗ xốp của điện cực thực hiện quá trình xử lý. Brillas và cộng sự [79] đã chỉ ra rằng điện cực catôt khuếch tán oxy cũng có thể được sử dụng để khử O2 tạo H2O2 trong môi trường axit.
Ngoài vật liệu điện cực và các thông số pH của môi trường, nồng độ xúc tác, nhiệt độ, bản chất chất xúc tác và mật độ dòng điện cũng là các thông số chính ảnh hưởng đến cơ chế và hiệu suất của hiệu ứng Fenton điện hóa:
+ Bản chất xúc tác: Các loại xúc tác khác nhau như: ion Fe2+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Ag+, có thể được sử dụng một mình hoặc kết hợp với nhau để tạo ra gốc hydroxyl. Chen và cộng sự [80] đã nghiên cứu hiệu quả của hệ Fe/H2O2, Co/H2O2 và Cu/H2O2 đến quá trình khoáng hóa brompyogalol và quá trình xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, sắt sử dụng một mình là chất xúc tác hiệu quả hơn cả. Ngoài ra, Gallard và cộng sự [81] đã chỉ ra rằng, tốc độ phân hủy H2O2 và oxy hóa atrazin chậm hơn khi có mặt ion Cu2+ so với sự có mặt một mình Fe3+ và sự bổ sung thêm ion Cu2+ làm tăng hiệu quả của hệ Fe3+/H2O2. Các nghiên cứu của Guivarch [37] cho thấy, sự phân hủy xanh malachit nhanh và hiệu quả hơn trong khi sử dụng xúc tác sắt so với đồng hoặc bạc. Theo Bandara và cộng sự [82], khả năng xúc tác phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng hydrat hóa, kích thước ion solvat hóa và dạng đồng phân của các chất xúc tác.
+ Mật độ dòng điện: Sự tăng mật độ dòng điện cho phép tăng khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Sự tăng tốc quá trình phân hủy tương ứng với sự tăng dòng điện được giải thích do sự hình thành lượng H2O2 và tái tạo ion Fe2+ nhiều hơn, dẫn đến tạo hydroxyl nhiều hơn.
Tuy nhiên, sự tăng này có thể có ảnh hưởng tích cực trong một giá trị giới hạn. Khi cường độ dòng điện vượt quá giá trị giới hạn này, nó có thể ức chế sự phân hủy các chất ô nhiễm trong dung dịch. Boye và cộng sự [70] đã thực hiện quá trình khoáng hóa 2,4,5-T bằng quá trình Fenton điện hóa sử dụng dòng điện nhỏ, trong thời gian ngắn. Dòng điện cao cho phép tăng tốc động học của quá trình khoáng hóa nhưng cũng tăng lượng điện tích tiêu thụ. Nó cũng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giải phóng hydro ở catôt và mất mát năng lượng do tỏa nhiệt. Hiện tượng này đã được ghi nhận trong một số nghiên cứu khác [37,72,83].
Một số ưu điểm của hiệu ứng Fenton điện hóa:
- Sản phẩm H2O2 được tạo ra tức thời và liên tục, cho phép điều khiển tốt nhất sự hình thành gốc hydroxyl. Nồng độ xúc tác Fe2+ sử dụng chỉ cần đủ để làm hoạt động hệ Fenton nhờ chu kỳ tái tạo Fe2+ bằng dòng điện, việc này một mặt cho phép loại bỏ sự kết tủa tạo bùn sắt(III) so với quá trình Fenton;
- Vận hành tối ưu ở nhiệt độ thường và áp suất khí quyển;
- Quá trình này dễ dàng kết hợp với các phương pháp oxy hóa tiên tiến khác như UV, siêu âm và xử lý vi sinh;
- Lượng chất xúc tác (cation kim loại) đưa vào trong dung dịch có nồng độ thường rất nhỏ, tồn tại dưới dạng ion tự do hoặc dưới dạng phức với các chất hữu cơ tự nhiên. Sử dụng phương pháp này có ưu điểm kép: không cần bổ sung chất xúc tác trong quá trình xử lý nước thải ô nhiễm và có thể thải trực tiếp nước sau khi xử lý ra môi trường không cần thông qua khâu xử lý nhằm loại bỏ các ion kim loại xúc tác được bổ sung ban đầu.
Một trong các nhược điểm của quá trình Fenton điện hóa là giống như quá trình Fenton, kỹ thuật này yêu cầu giá trị pH của dung dịch phải được khống chế xung quanh 3 do quá trình phụ thuộc vào pH của dung dịch.