非均相Fenton试剂处理维生素B12废水实验设计

非均相Fenton试剂处理维生素B12废水实验设计41113010何欢祺（北京科技大学土环学院环境工程系，北京100083）摘要Fenton氧化法是一种高级的氧化技术，具有较高去除难降解有机污染物的能力。本文概述了Fenton试剂的作用机理和传统均相Fenton法的弊端，并详细阐明利用活性炭负载Fe2+的非均相Fenton试剂制备方法及其处理维生素B12废水的实验设计。关键字Fenton氧化非均相Fenton试剂废水处理正交试验一、Fenton试剂的作用机理Fenton试剂具有强氧化性在于其中含有Fe2+和H2O2，对有机物的氧化作用是指H2O2与Fe2+作用，生成具有极强氧化能力的羟基自由基·OH而进行的游离基反应；另一方面，反应生成的Fe(OH)3胶体具有絮凝、吸附功能，也可以去除水中部分有机物。链式反应如下：Fenton反应中对H2O2的消耗很快，产生的·OH具有很高的电负性或亲电性，具有很强的加成反应特性，因此Fenton法可以氧化水中大部分有机物，适合处理难生物降解和一般物化方法难以处理的废水[1]。均相Fenton法存在pH值适用范围窄（PH范围3~5），催化剂难回收，产生大量铁泥造成二次污染等缺点，限制了其在废水处理中的应用。二、非均相Fenton试剂的制备为了解决均相Fenton试剂的弊端，我们将延续前人思路继续把铁离子、铁的氧化物或者具有催化能力的过渡金属元素等固定在载体上，制备出不溶于水的非均相催化剂，其仍留有均相催化剂的优点，而且拓宽了pH值适用范围，避免了铁离子产生铁泥，消除了离子本身所具有的颜色对水体视觉效果的影响。通过查阅文献，确定了一种以活性炭负载Fe2+的非均相Fenton试剂制备方法，具体过程如下：将100mL一定体积分数的酸与12.5g颗粒活性炭浸渍24h，清洗后真空烘干。向经酸预处理后的活性炭中加入80mL一定质量数的硫酸亚铁溶液，在恒温振荡器中于常温下以150r/min的转速震荡浸泡24h，再用质量分数为10%的氢氧化钠溶液滴定至中性，清洗后真空烘干，用以制备Fe2+/活性炭非均相Fenton试剂。[2]三、实验设计（一）、影响因素的确定近些年来有很多学者致力于研究实验因素对Fenton反应的影响，并建立了不同的动力学模型。Kwon通过研究Fenton试剂对酚氯的氧化特性，发现Fe2+浓度、H2O2浓度、pH直接决定了·OH的产量，[3]而·OH正是Fenton反应氧化有机污染物的主要活性氧物种。在研究中发现，如果酸性太强，溶液中的H+浓度过高，过氧化氢以H3O2+稳定存在，而且有机物在强酸性环境中不易分解，Fe3+不能被顺利地还原成Fe2+，催化反应受阻。实验证明，反应受到自由Fe2+浓度的影响，Fe2+是产生·OH的关键因素。被Fenton试剂分解的小分子有机物，有一部分会加速分解，而另外一部分会和Fe2+形成稳定的化合物，很难被进一步降解，只要有H2O2存在，有机物的降解反应便会继续下去。由实验结果得出pH=2~4时，有机物的降解速率最高。[4]邓小晖等人对Fenton试剂处理印染废水的实验发现，当pH一定，Fe2SO4·H2O投加量为150mg/L时，30%的H2O2最适宜的投加量为1mL/L。继续取30%的H2O2的投加量为1mL/L，试验Fe2SO4·H2O投加量对处理效果的影响，发现投加量为150mg/L时，处理效果很好，但质量浓度超过350mg/L，水样COD去除率降低，因此Fe2SO4·H2O最适宜的投加量为150~350mg/L[4]。（二）、废水处理效果测定指标的确定在本实验中确定废水的可生化性（B/C）作为衡量处理效果的重要指标。COD，即化学需氧量，是指在一定严格条件下，水中的还原性物质在外加的强氧化剂作用下所消耗的氧化剂数量，能够反应水中受还原性物质污染的程度。因维生素B12废水中无机还原性物质的数量相对不大，因此COD可以作为有机污染物相对含量的一项综合指标。BOD指水中有机物由于微生物的生化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总数量。废水的可生化性，即BOD与COD的比值（B/C)，反映废水中有机物能被生物降解的难易程度，可以表征废水的处理效果。目前普遍认为,B/C0.3的废水属于难生物降解废水,在进行必要的预处理之前不易采用好氧生物处理;而B/C0.3的废水属于可生物降解废水。该比值越高,表明废水经非均相Fenton试剂的处理效果越好。[5]（三）、正交试验本实验中需要研究三个因素，即Fe2+浓度、H2O2浓度、pH对实验结果的影响，因此需要挑选出有代表性的试验点来进行试验,通过对代表性的试验的结果分析,了解全面试验的情况,即采用正交实验的方法。挑选有代表性的试验点成为正交试验的关键，最终达到减少实验次数，缩短实验周期的目的。[6]本实验运用SPSS软件进行正交试验表设计，pH水平：2,2.5,3,3.5,4;Fe2SO4·H2O最适宜的投加量为150,200,250.300,350mg/L;H2O2投加量取1,2,3,4,5mL。生成的正交试验设计表如下：[7]（四）、实验操作4.1、实验仪器和试剂试剂：H2O2（质量分数30%，分析纯），Fe2SO4·H2O固体，需要处理的废水，实验室现有的H2SO4溶液和NaOH溶液等仪器：烧杯，玻璃棒，pH试纸，滴管等4.2、实验步骤首先在烧杯中加入一定量维生素B12废水，利用H2SO4或NaOH溶液调节pH到所确定的实验值，搅拌，按照实验数据表确定的量加入H2O2和Fe2SO4·H2O，记录时间，反应40min之后静置沉淀2min，取处理后的废水上清液测定COD和BOD。4.3、分析方法COD采用重铬酸钾法，BOD采用稀释培养法[9]。4.4、结果分析通过计算B/C，确定处理后废水的可生化性。若B/C0.3，处理后的废水属于可生物降解废水。该比值越高,表明废水经非均相Fenton试剂的处理效果越好。四、可行性分析1、经济可行性：催化剂硫酸亚铁晶体由于载体的作用以固态的形式参与反应，可以回收并重复利用，降低成本。2、技术可行性：原料易得，操作流程简便，条件温和。在现有实验室条件下可以完成。3、政策可行性：目前尚无法律法规禁止此实验方法。五、结语Fenton反应是当今最重要的AOP之一，Fenton反应在有毒有机污染物处理中有较好的降解效率及较大的应用范围，不管在实验室研究还是在实际的工业运用中，都有良好的效果。但是由于均相Fenton试剂存在pH值适用范围窄，催化剂难回收，产生大量铁泥造成二次污染等缺点，限制了Fenton法在处理难降解废水中的运用。非均相Fenton法由于催化剂Fe2+在反应中以固态形式存在，有利于催化剂的回收利用，用这种处理方法再配合其他处理技以达到中水回用，能实现循环利用的目标。六、参考文献[1]林红岩,王春财,杨鸿伟.Fenton试剂在废水处理中的应用[A].大庆石油学院，中国知网，2009，32（10）[2]李建旭，韩永忠，吴晓根，许垚艺.Fe2+/H活性炭非均相Fenton试剂氧化法降解苯酚[A].南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，2011,31（4）[3]BumGunKwon,DongSooLee,NamgooKang,etal.CharactersticsofP-Chlorophenoloxidationbyfenton’sreagent.Wat,Res.1999,33(9):2110-2118[4]邓小晖,张海涛,曹国民.Fenton试剂处理废水的研究与应用进展[J]上海化工，2007,32（8）:40[5]郭文成，吴群河.BOD5/CODCr值价污废水可生化性的可行性分析[J].环境科学技术,1998,8(3):39,41.[6]徐仲安，王天保，李常英，暴丽艳，马青梅，苗玉宁.正交试验设计法简介[J].山西大学商务学院，2002,12（5）：149[7]刘瑞江，张业旺，闻崇炜，汤建.正交试验设计和分析方法研究[A].江苏大学药学院，2010,27（9）：53[8]陈文松，韦朝海.Fenton氧化-混凝法处理印染废水的研究[A].华南理工大学化工学院，2004,24（4）：40