La reazione di Fenton serve a ridurre i livelli di contaminanti organici quali fenoli, formaldeide, pesticidi e altri prodotti chimici da acque reflue e fanghi.
Reattivo di Fenton
Il reattivo di Fenton, costituito da ioni Fe2+ e da perossido di idrogeno H2O2, costituisce una fonte di radicali OH· ad alto potenziale ossidante. La reazione di Fenton trova utilizzo nella distruzione di inquinanti organici, nella riduzione della tossicità, nella rimozione del BOD e COD, nell'allontanamento di colore e odore e nell'abbattimento di resine in fanghi contaminati radioattivi.
Meccanismo
Il meccanismo della reazione di Fenton comprende diversi stadi: nel primo stadio si verifica la decomposizione del perossido di idrogeno catalizzata dagli ioni Fe2+ in ambiente acido secondo la reazione:
Fe2+ + H2O2 →Fe3+ + OH·+ OH–
Il radicale OH· reagisce con i composti organici secondo la reazione:
OH· + RH → R· + H2O
Con formazione di un radicale alchilico che reagisce, in presenza di ossigeno disciolto nell'acqua per dare un radicale alchil perossido che viene successivamente decomposto:
R· + O2 → ROO·
ROO· + RH → ROOH + R·
L'idroperossido ROOH può reagire sia con lo ione Fe2+ che con lo ione Fe3+ formando ulteriori radicali che aumentano la velocità della reazione:
ROOH + Fe2+ → RO· + Fe3+ + OH–
ROOH + Fe3+ → ROO· + Fe2+ + H+
L'ulteriore ossidazione di intermedi di reazione porta alla formazione di biossido di carbonio e acqua.
Se il reattivo di Fenton è usato con la formaldeide quest'ultima è ossidata ad acido formico e successivamente a biossido di carbonio e acqua.
pH
Un parametro da prendere in considerazione in questo tipo di reazione è il pH che deve essere compreso tra 3 e 5: se, infatti il pH è troppo elevato il ferro precipita sotto forma di idrossido di ferro (III) Fe(OH)3 che decompone il perossido di idrogeno. Bisogna inoltre tener presente che si può verificare un abbassamento di pH in quanto il catalizzatore FeSO4 contiene tracce di acido solforico e, per aggiunta di perossido di idrogeno, si ottiene la frammentazione del materiale organico in acidi carbossilici.
Le reazioni del radicale OH· sono di quattro tipi:
1) Addizione: OH· + C6H6 → (OH)C6H6·
In cui il radicale OH· si addiziona a composti alifatici o aromatici insaturi per dare un radicale
2) Allontanamento di un idrogeno: OH· + CH3OH → · CH2OH + H2O
In cui si forma un radicale organico
3) Trasferimento di elettroni: OH· + [Fe(CN)6]4- → [Fe(CN)6]3- + OH–
In cui si formano ioni aventi un numero di ossidazione più alto
4) Interazione radicalica: OH· + OH· → H2O2
In cui due radicali OH· si combinano tra loro
Per gli scopi previsti dalla reazione bisogna fare in modo che i primi due tipi di reazione prevalgano sugli altri agendo su alcuni parametri.
Effetto della concentrazione del ferro
In assenza di ferro la reazione non avviene mentre aumentandone la concentrazione la reazione decorre sempre più rapidamente giungendo a un punto in cui un'ulteriore aggiunta di ferro non modifica la velocità della stessa. Bisogna pertanto aggiungere una giusta quantità di ferro: una concentrazione di ferro di 3-15 mg/L consente alla reazione di procedere in tempi ragionevoli a prescindere dalla quantità di substrato. Tipicamente è necessaria 1 parte di ferro per ogni 10-50 parti di substrato.
Effetto della temperatura
La velocità della reazione aumenta all'aumentare della temperatura, tuttaviaradicali
perossido di idrogeno
la temperatura non deve superare i 40-50 °C in quanto oltre tale temperatura si verifica la decomposizione del perossido di idrogeno e pertanto la temperatura ottimale è compresa tra 20 e 40 °C.
Effetto del pH
Un parametro da prendere in considerazione in questo tipo di reazione è il pH che deve essere compreso tra 3 e 5: se, infatti il pH è troppo elevato il ferro precipita sotto forma di idrossido di ferro (III) Fe(OH)3 che decompone il perossido di idrogeno. Bisogna inoltre tener presente che si può verificare un abbassamento di pH in quanto il catalizzatore FeSO4 contiene tracce di acido solforico e, per aggiunta di perossido di idrogeno, si ottiene la frammentazione del materiale organico in acidi carbossilici.
