应用3种Fenton系列氧化工艺降解对氯酚的研究

1应用3种Fenton系列氧化工艺降解对氯酚的研究程丽华(青岛建筑工程学院环境工程系，青岛266033)黄君礼(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)摘要研究了在草酸铁/Fenton、UV/Fenton和暗Fenton系列工艺中K2C2O4、H2O2、FeSO4的浓度、pH值、反应温度、反应时间对对氯酚降解的影响。得出草酸铁/Fenton工艺比其它2种工艺对对氯酚具有更高的去除率，且使降解反应进行的pH范围更宽，反应时间更短。这使得草酸铁/Fenton和UV/Fenton工艺在实际生产中可望得到应用。关键词：草酸铁Fenton对氯酚去除率1前言随着人们对Fenton试剂研究的日益广泛，在它的基础上又派生出许多分支，如引入UV光及草酸盐得到UV/Fenton工艺[1]及UV/Fe(C2O4)33–/H2O2（简称草酸铁/Fenton）工艺[2]。已有人证明，UV/Fenton工艺及草酸铁/Fenton工艺同普通Fenton工艺相比较而言具有更强的氧化能力和更高的氧化效率[3,4]。但关于这3种工艺在处理某种废水中所表现出的优缺点的报道却不多。本文研究了3种工艺在对氯酚降解过程中所表现出的特性，为这3种工艺在含酚废水中的应用起到一定的指导作用。2实验部分2.1试剂和仪器H2O2（30%），FeSO4·7H2O，K2C2O4，对氯酚（A.R.级）。20W紫外灯（北京亚明灯泡厂），721分光光度计（上海第三分析仪器厂）。2.2分析方法对氯酚的测定：4-氨基安替比林分光光度法。2.3实验方法2.3.1草酸铁/Fenton工艺取50mL（50mg/L）对氯酚放入100mL烧杯中,调pH=3后,加入一定量的K2C2O4、FeSO4和H2O2，然后在室温18℃时于20W紫外灯照射下2反应40min后加碱调pH值终止反应，测定对氯酚的去除率。2.3.2UV/Fenton工艺取50mL（50mg/L）对氯酚放入100mL烧杯中，调pH=3后，加入一定量的FeSO4和H2O2，然后在室温18℃时于20W紫外灯照射下反应40min后加碱调pH值终止反应，测定对氯酚的去除率。2.3.3暗Fenton工艺取50mL（50mg/L）对氯酚放入100mL烧杯中，调pH=3后，加入一定量的FeSO4和H2O2，然后在室温18℃时于暗处反应40min后加碱调pH值终止反应，测定对氯酚的去除率。3结果及讨论3.1K2C2O4浓度的影响固定H2O2及FeSO4的浓度均为1mmol/L。考察了K2C2O4浓度对草酸铁/Fenton工艺降解对氯酚的影响情况，试验结果见图1。70809010000.10.20.5124810K2C2O4浓度（mmol/L）对氯酚去除率（%）图1K2C2O4浓度对对氯酚去除率的影响由图1可以看出，在Fenton工艺中加入少量的K2C2O4可以提高对氯酚的去除率。但当加入的K2C2O4浓度达到1mmol/L之后，随着溶液中K2C2O4浓度的进一步增加，对氯酚的去除率反而降低。本试验以取0.2mmol/L为宜。3.2H2O2浓度的影响在草酸铁/Fenton工艺中固定各组分的浓度分别为：CK2C2O4=0.2mmol/L、CFeSO4=1mmol/L；在UV/Fenton及暗Fenton工艺试验中固定组分的浓度为：CFeSO4=1mmol/L。考察了H2O2浓度对对氯酚去除率的影响，试验结果见图2。31—草酸铁/Fenton；2—UV/Fenton；3—暗Fenton。图2H2O2浓度对对氯酚去除率的影响由图2可以看出，在H2O2浓度较低时，随着H2O2浓度的增加，3种工艺对对氯酚的去除率都增加。当H2O2浓度增加到一定值时，对氯酚的去除率达到最大。此后再增加溶液中H2O2的浓度，对氯酚的去除率则呈略微下降的趋势。本试验中对于草酸铁Fenton工艺H2O2的浓度取2mmol/L为宜，对于其它2种工艺H2O2的浓度取4mmol/L为宜。3.3FeSO4浓度的影响在草酸铁/Fenton工艺试验中，固定各组分的浓度分别为：CK2C2O4=0.2mmol/L，CH2O2=2mmol/L；在UV/Fenton及暗Fenton工艺试验中固定组分的浓度为：CH2O2=4mmol/L。考察了FeSO4浓度对对氯酚去除率的影响，试验结果见图3。1—草酸铁/Fenton；2—UV/Fenton；3—暗Fenton。图3FeSO4浓度对对氯酚去除率的影响由图3可以看出，随着FeSO4浓度的增加，对氯酚的去除率随之提高。当溶液中FeSO4的浓度达到0.1mmol/L时，对氯酚的去除率接近100%。此后，随着溶4050607080901000.010.020.050.10.20.5FeSO4浓度（mmol/L）对氯酚去除率（%）213607080901000246H2O2浓度（mmol/L）对氯酚去除率（%）1234液中FeSO4浓度的进一步增加，对氯酚的去除率无明显变化。本试验FeSO4的浓度取0.1mmol/L为宜。3.4pH的影响在草酸铁/Fenton工艺试验中，固定各组分的浓度分别为：CK2C2O4=0.2mmol/L，CH2O2=2mmol/L，CFeSO4=0.1mmol/L；在UV/Fenton及暗Fenton工艺试验中，固定各组分的浓度分别为：CH2O2=4mmol/L，CFeSO4=0.1mmol/L。进行pH对对氯酚去除率影响情况的试验，结果见图4。1—草酸铁/Fenton；2—UV/Fenton；3—暗Fenton。图4pH对对氯酚去除率的影响由图4可以看出，pH对Fenton工艺降解对氯酚具有较大的影响。酸性条件有利于对氯酚的降解，最佳的pH为3～4。同时可以看出，草酸铁/Fenton降解对氯酚的适宜pH范围明显宽于其它2种Fenton工艺，在pH为5～6时仍有较高的去除率。3.5反应温度的影响在草酸铁/Fenton工艺试验中，固定各组分的浓度分别为：CK2C2O4=0.2mmol/L，CH2O2=1mmol/L，CFeSO4=0.1mmol/L；在UV/Fenton及暗Fenton工艺试验中，固定各组分的浓度分别为：CH2O2=1mmol/L，CFeSO4=0.1mmol/L。考察了反应温度对对氯酚去除率的影响，试验结果见图5。由图5可以看出，在试验的反应温度范围内，随着反应温度的升高，对氯酚的去除率略有提高，但提高幅度不大。说明反应受温度的影响较小。30405060708090100012345678pH对氯酚去除率（%）12351—草酸铁/Fenton；2—UV/Fenton；3—暗Fenton。图5反应温度对对氯酚去除率的影响3.6反应时间的影响在草酸铁/Fenton工艺试验中，固定各组分的浓度分别为：CK2C2O4=0.2mmol/L，CH2O2=1mmol/L，CFeSO4=0.05mmol/L；在UV/Fenton及暗Fenton工艺试验中，固定各组分的浓度分别为：CH2O2=4mmol/L，CFeSO4=0.1mmol/L。考察了反应时间对对氯酚去除率的影响，试验结果见图6。1—草酸铁/Fenton；2—UV/Fenton；3—暗Fenton。图6反应时间对对氯酚去除率的影响由图6可以看出，草酸铁/Fenton工艺降解对氯酚的反应速率比其它2种Fenton工艺快。在草酸铁/Fenton工艺中，反应90s时对氯酚的去除率已达99%以上，而在其它2种工艺中反应180s才达到同样的去除率。3.7经济技术分析82848688900255075反应温度（℃）对氯酚去除率（%）1234050607080901000306090120150180反应时间（s）对氯酚去除率（%）2136目前含量为27.5%的工业品H2O2价格为2.15元/kg，工业品K2C2O4价格为3.1元/kg，工业品FeSO4价格为0.5元/kg。按照试验结果，达到99%去除率时处理1m3对氯酚废水的费用估算见表1。表1草酸铁/Fenton、UV/Fenton和暗Fenton工艺处理1m3对氯酚废水的费用估算组分草酸铁/FentonUV/Fenton暗Fenton用量(kg)费用(元)用量(kg)费用(元)用量(kg)费用(元)H2O20.2470.530.4941.060.4941.06K2C2O40.0330.10----------------FeSO40.0280.010.0140.010.0140.01合计----0.64----1.07----1.07由表1可见，处理1m3对氯酚废水时草酸铁/Fenton工艺所需费用远低于UV/Fenton和暗Fenton工艺。同时UV/Fenton和暗Fenton工艺需要在酸性条件下进行反应，这样必定会造成对管道和处理构筑物的腐蚀。由此可见，在这3种Fenton工艺中，草酸铁/Fenton工艺是最理想的处理对氯酚的工艺。4结论4.1在Fenton工艺中引入K2C2O4可以降低H2O2的用量，并使对氯酚的降解反应在更宽的pH范围内进行，另外还能加快降解反应的速率。4.23种Fenton工艺降解对氯酚的最佳条件：草酸铁/Fenton工艺为K2C2O4：H2O2：FeSO4=0.2：2：0.1（化学计量数），pH为3～6；UV/Fenton和暗Fenton工艺为H2O2：FeSO4=4：0.1（化学计量数），pH为2～4。4.3对于对氯酚的处理而言，草酸铁/Fenton工艺是较好的处理工艺。5参考文献1HGallard,DeLaatJ,LegubeB.SpectrophotometricStudyoftheformationofiron(III)-hydroperoxycomplexesinhomogeneousaqueoussolution.WaterResearch,1999,33(13):2929～2936.2SAmiri.Ferrioxalate-mediatedPhoto-degradationofOrganicPollutantsinContaminatedWater.WaterResearch,1997,31(4):787～798.3JPigllatello.DarkandPhotoassistedFe2+-catalyzedDegradation7CholorophenoxyHerbicidesbyHydrogenPeroxide.Environ.Sci.Technol.,1992,26(5):944～951.4KAHislop,JRBolton.ThePhotochemicalGenerationofHydroxylRadicalsintheUV-is/ferrioxalate/H2O2system.Environ.Sci.Technol.,1999,33(18):3119～3126.黑龙江省自然科学基金资助项目，编号：E01-06。第一作者程丽华，女，1973年8月生，2001年毕业于哈尔滨工业大学，工学博士，现在青岛海洋大学从事博士后研究工作。