stringtranslate.com

Реактив Фентона

Реактив Фентона представляет собой раствор перекиси водорода (H 2 O 2 ) и железного катализатора (обычно сульфата железа (II) , FeSO 4 ). [1] Он используется для окисления загрязняющих веществ или сточных вод как часть усовершенствованного процесса окисления . Реактив Фентона может использоваться для разрушения органических соединений, таких как трихлорэтилен и тетрахлорэтилен (перхлорэтилен). Он был разработан в 1890-х годах Генри Джоном Хорстманом Фентоном в качестве аналитического реагента. [2] [3] [4]

Реакции

Железо(II) окисляется перекисью водорода до железа(III) , образуя в этом процессе гидроксильный радикал и гидроксид-ион . Затем железо(III) восстанавливается обратно до железа(II) другой молекулой перекиси водорода, образуя гидропероксильный радикал и протон . Чистый эффект заключается в диспропорционировании перекиси водорода с образованием двух различных видов кислородных радикалов, с водой (H +  + OH − ) в качестве побочного продукта. [5]

Свободные радикалы, образующиеся в результате этого процесса, вступают во вторичные реакции. Например, гидроксил является мощным неселективным окислителем. [6] Окисление органического соединения реагентом Фентона происходит быстро и экзотермично и приводит к окислению загрязняющих веществ в основном до углекислого газа и воды.

Реакция ( 1 ) была предложена Хабером и Вайсом в 1930-х годах как часть того, что впоследствии стало реакцией Хабера-Вайса . [7]

В качестве железного катализатора обычно используется сульфат железа(II) . Точные механизмы окислительно-восстановительного цикла неясны, и также были предложены не-ОН • окислительные механизмы органических соединений. [ необходима цитата ] Поэтому, возможно, будет уместно обсудить химию Фентона в целом , а не конкретную реакцию Фентона .

В процессе электро-Фентона перекись водорода производится in situ путем электрохимического восстановления кислорода. [8]

Реагент Фентона также используется в органическом синтезе для гидроксилирования аренов в реакции радикального замещения , такой как классическое превращение бензола в фенол .

Пример реакции гидроксилирования включает окисление барбитуровой кислоты до аллоксана . [9] Другое применение реагента в органическом синтезе - реакции сочетания алканов. Например, трет -бутанол димеризуется с реагентом Фентона и серной кислотой до 2,5-диметил-2,5-гександиола. [10] Реагент Фентона также широко используется в области экологии для очистки воды и рекультивации почв . Сообщалось, что различные опасные сточные воды эффективно разлагаются с помощью реагента Фентона. [11]

Влияние pH на образование свободных радикалов

pH влияет на скорость реакции по ряду причин. При низком pH также происходит комплексообразование Fe 2+ , что приводит к снижению доступности Fe 2+ для образования реактивных окислительных видов (OH • ). [12] Более низкий pH также приводит к поглощению • OH избытком H + , [13] тем самым снижая скорость его реакции. В то время как при высоком pH реакция замедляется из-за осаждения Fe(OH) 3 , что снижает концентрацию видов Fe 3+ в растворе. [11] Растворимость видов железа напрямую регулируется pH раствора . Fe 3+ примерно в 100 раз менее растворимо, чем Fe 2+ в природной воде при pH, близком к нейтральному, концентрация ионов трехвалентного железа является ограничивающим фактором для скорости реакции. В условиях высокого pH также влияет на стабильность H 2 O 2 , что приводит к его саморазложению. [14] Более высокий pH также снижает окислительно-восстановительный потенциал • OH , тем самым снижая его эффективность. [15] pH играет решающую роль в образовании свободных радикалов и, следовательно, в производительности реакции. Таким образом, продолжающиеся исследования были проведены для оптимизации pH и, среди прочих параметров, для более высоких скоростей реакции. [16]

Биомедицинские последствия

Реакция Фентона имеет различные последствия в биологии, поскольку она включает образование свободных радикалов химическими видами, естественным образом присутствующими в клетке в условиях in vivo . [17] Ионы переходных металлов, такие как железо и медь, могут отдавать или принимать свободные электроны через внутриклеточные реакции и, таким образом, способствовать образованию или, наоборот, удалению свободных радикалов . Ионы супероксида и переходные металлы действуют синергически при появлении повреждений, вызванных свободными радикалами. [18] Таким образом, хотя клиническое значение все еще неясно, это одна из веских причин избегать приема добавок железа у пациентов с активными инфекциями, тогда как другие причины включают инфекции, опосредованные железом. [19]

Приложения

Реагент Фентона используется в качестве средства для очистки сточных вод. [20]

Реагент Фентона можно использовать в различных химических процессах, которые поставляют гидроксильные ионы или окисляют определенные соединения: [ необходима ссылка ]

Реагент типа Фентона

Смеси Fe 2+ и H 2 O 2 называются реагентом Фентона. Если Fe 2+ заменяется на Fe 3+ , то это называется реагентом Фентона.

Было обнаружено, что многочисленные ионы переходных металлов и их комплексы в более низких степенях окисления (L m M n+ ) обладают окислительными свойствами реагента Фентона, и поэтому смеси этих соединений металлов с H 2 O 2 были названы «реагентами Фентона». [21]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хемонд, Гарольд (2015). Химическая судьба и транспорт в окружающей среде (3-е изд.). Elsevier. стр. 287. ISBN 9780123982568.
  2. ^ Коппенол, WH (1 декабря 1993 г.). «Столетие реакции Фентона». Free Radical Biology and Medicine . 15 (6): 645–651. doi :10.1016/0891-5849(93)90168-t. PMID  8138191.
  3. ^ Фентон, HJH (1894). «Окисление винной кислоты в присутствии железа». Журнал химического общества, Труды . 65 (65): 899–911. doi :10.1039/ct8946500899.
  4. ^ Хайян, М.; Хашим, МА; Аль Нашеф, ИМ (2016). «Супероксидный ион: генерация и химические последствия». Chemical Reviews . 116 (5): 3029–3085. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00407 . PMID  26875845.
  5. ^ Тан, Чжунминь; Чжао, Пэйран; Ван, Хань; Лю, Яньян; Бу, Вэньбо (2021). «Биомедицина встречает химию Фентона». Chemical Reviews . 121 (4): 1981–2019. doi :10.1021/acs.chemrev.0c00977. PMID  33492935. S2CID  231712587.
  6. ^ Cai, QQ; Jothinathan, L.; Deng, SH; Ong, SL; Ng, HY; Hu, JY (2021). «Процессы АОП на основе Фентона и озона для очистки промышленных сточных вод». Современные процессы окисления для очистных сооружений сточных вод . С. 199–254. doi :10.1016/b978-0-12-821011-6.00011-6. ISBN 978-0-12-821011-6. S2CID  224976088.
  7. ^ Хабер, Ф.; Вайс, Дж. (1932). «Über die katalyse des Hydroperoxydes» [О катализе гидропероксидов]. Naturwissenschaften . 20 (51): 948–950. Бибкод : 1932NW.....20..948H. дои : 10.1007/BF01504715. S2CID  40200383.
  8. ^ Касадо, Хуан; Форнагуэра, Хорди; Галан, Мария И. (январь 2005 г.). «Минерализация ароматических соединений в воде с помощью электро-Фентоновской технологии с использованием солнечного света в пилотном реакторе». Environmental Science and Technology . 39 (6): 1843–1847. Bibcode : 2005EnST...39.1843C. doi : 10.1021/es0498787. PMID  15819245.
  9. ^ Brömme, HJ; Mörke, W.; Peschke, E. (ноябрь 2002 г.). «Преобразование барбитуровой кислоты в аллоксан гидроксильными радикалами: взаимодействие с мелатонином и другими поглотителями гидроксильных радикалов». Journal of Pineal Research . 33 (4): 239–247. doi :10.1034/j.1600-079X.2002.02936.x. PMID  12390507. S2CID  30242100.
  10. ^ Дженнер, EL (1973). «α,α,α’,α’-Тетраметилтетраметиленгликоль». Органические синтезы; Собрание томов , т. 5, стр. 1026.
  11. ^ ab Cai, QQ; Lee, BCY; Ong, SL; Hu, JY (15 февраля 2021 г.). «Технологии псевдоожиженного слоя Фентона для очистки промышленных сточных вод, устойчивых к воздействию — последние достижения, проблемы и перспективы». Water Research . 190 : 116692. Bibcode : 2021WatRe.19016692C. doi : 10.1016/j.watres.2020.116692. PMID  33279748. S2CID  227523802.
  12. ^ Xu, Xiang-Rong; Li, Xiao-Yan; Li, Xiang-Zhong; Li, Hua-Bin (5 августа 2009 г.). «Деградация мелатонина под воздействием УФ, УФ/H 2 O 2 , Fe 2+ /H 2 O 2 и УФ/Fe 2+ /H 2 O 2 процессов». Технология разделения и очистки . 68 (2): 261–266. doi :10.1016/j.seppur.2009.05.013.
  13. ^ Tang, WZ; Huang, CP (1 декабря 1996 г.). "Кинетика окисления 2,4-дихлорфенола реагентом Фентона". Environmental Technology . 17 (12): 1371–1378. Bibcode : 1996EnvTe..17.1371T. doi : 10.1080/09593330.1996.9618465.
  14. ^ Szpyrkowicz, Lidia; Juzzolino, Claudia; Kaul, Santosh N (1 июня 2001 г.). "Сравнительное исследование окисления дисперсных красителей электрохимическим процессом, озоном, гипохлоритом и реагентом Фентона". Water Research . 35 (9): 2129–2136. Bibcode : 2001WatRe..35.2129S. doi : 10.1016/s0043-1354(00)00487-5. PMID  11358291.
  15. ^ Величкова, Филипа; Дельмас, Анри; Жюлькур, Карин; Куманова, Богдана (2017). «Гетерогенное окисление Фентона и фото-Фентона для удаления парацетамола с использованием железосодержащего цеолита ZSM-5 в качестве катализатора» (PDF) . Журнал AIChE . 63 (2): 669–679. Bibcode :2017AIChE..63..669V. doi :10.1002/aic.15369.
  16. ^ Cai, Qinqing; Lee, Brandon Chuan Yee; Ong, Say Leong; Hu, Jiangyong (9 апреля 2021 г.). «Применение многоцелевой искусственной нейронной сети (ANN) при промышленной обработке концентрата обратным осмосом с использованием процесса Фентона в псевдоожиженном слое: прогнозирование производительности и оптимизация процесса». ACS ES&T Water . 1 (4): 847–858. doi :10.1021/acsestwater.0c00192. S2CID  234110033.
  17. ^ Матавос-Арамян, С.; Муссави, М.; Матавос-Арамян, Х.; Рузхош, С. (2017). «Дезинфекция воды, загрязненной криптоспоридиями, с помощью нового процесса Фентона». Free Radical Biology and Medicine . 106 : 158–167. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2017.02.030. PMID  28212822. S2CID  3918519.
  18. ^ Роббинс; Котран (2008). Патологическая основа болезни (7-е изд.). Elsevier. стр. 16. ISBN 978-0-8089-2302-2.
  19. ^ Лапуэнт, Марк (14 июня 2004 г.). «Добавки железа в отделении интенсивной терапии: когда, сколько и каким способом?». Critical Care . 8 (2): S37-41. doi : 10.1186/cc2825 . PMC 3226152. PMID  15196322 . 
  20. ^ Чэнь, Янь-Джанг; Фань, Тан-Ю; Ван, Ли-Пан; Чэн, Та-Уи; Чэнь, Шиао-Шин; Юань, Мин-Хао; Чэн, Шикунь (2020-02-18). "Применение метода Фентона для удаления органических веществ из осадка сточных вод при комнатной температуре". Устойчивость . 12 (4): 1518. doi : 10.3390/su12041518 . ISSN  2071-1050.
  21. ^ Goldstein, S.; Meyerstein, D.; Czapski, G. (октябрь 1993 г.). «Реагенты Фентона». S Goldstein et al. Free Radic Biol Med . 15 (4): 435–445. doi :10.1016/0891-5849(93)90043-t. PMID  8225025.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки