US/Fenton試劑法處理對硝基苯酚的研究

汪艷霞

(太原學(xué)院環(huán)境工程系，山西 太原 030032)

隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，有機(jī)廢水的污染源日益增多。酚類是水體中常見的污染物，通過皮膚、口腔等方式進(jìn)入生物體內(nèi)，可使生物體內(nèi)細(xì)胞失去活性，對神經(jīng)系統(tǒng)傷害最嚴(yán)重，可使神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生病變[1]。酚類化合物化學(xué)、生物穩(wěn)定性良好，難以降解，對環(huán)境污染嚴(yán)重[2]。因此，含酚廢水的處理一直是廢水處理中的難題。

對硝基苯酚(P－NP)在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，它是生產(chǎn)農(nóng)藥或燃料合成中的原料物質(zhì)或中間產(chǎn)物，是一種環(huán)境優(yōu)先控制污染物。對硝基苯酚在自然界中較難生物降解，且具有“致突變、致畸、致癌”作用[3]，常規(guī)的生物處理法難于處理低濃度的對硝基苯酚廢水。選擇低耗、高效及無害化的處理方法，成了近些年來人們研究的方向。

超聲聲化學(xué)法具有污染小、低能耗等優(yōu)點，能將廢水中有毒有害有機(jī)物物質(zhì)轉(zhuǎn)化成毒性較小的甚至于不含毒性的無機(jī)物質(zhì)，是一種較好的高效廢水處理技術(shù)，超聲聲化學(xué)降解技術(shù)為我們開辟了一條新的途徑[4，5]。不過在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，在處理對硝基苯酚廢水時，單獨超聲處理效率較低[6]。Fenton試劑氧化能力很強(qiáng)，尤其適用于處理對生物毒性較大的工業(yè)廢水[7－9]?？紤]到超聲化學(xué)法和Fenton試劑的特點，本實驗采用超聲/Fenton試劑法聯(lián)用來處理對硝基苯酚廢水，考察其各種影響因素對對硝基苯酚降解效果的影響，為將其推廣到工業(yè)應(yīng)用中，打下理論基礎(chǔ)。

1 實驗試劑與儀器設(shè)備

1.1 實驗試劑

實驗中采用180mg/L[10]的對硝基苯酚溶液。實驗中的試劑有:對硝基苯酚，30%雙氧水，七水合硫酸亞鐵，硫酸，氫氧化鈉，其規(guī)格全部采用分析純(AR)。

1.2 實驗儀器設(shè)備

表1 實驗儀器設(shè)備

1.3 實驗方法

將對硝基苯酚模擬廢水中加入一定配比的Fenton試劑，調(diào)節(jié)pH，加入一定量的雙氧水和七水合硫酸亞鐵后、迅速置于事先已經(jīng)預(yù)熱至25℃的數(shù)控超聲清洗器中振蕩一段時間，待反應(yīng)完全后，靜止一定時間，然后采用紫外分光光度計對其濃度進(jìn)行分析。以觀察對硝基苯酚的去除率及降解效果。

通過實驗研究來探討影響對硝基苯酚降解的各種主要因素，以及確定超聲－Fenton試劑法氧化降解對氯苯酚的最佳條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 降解時間

取已配置好的反應(yīng)液500ml于錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH值為3，加入雙氧水量0.30mL、七水合硫酸亞鐵0.025g、設(shè)置超聲波清洗器功率為500w條件下進(jìn)行降解，研究US/Fenton試劑法對水中對硝基苯酚降解的影響。分別在 10、20、30、60、120min時對降解的試樣進(jìn)行測定分析。分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同時間P－NP降解情況

從圖1可看出，隨著降解時間的增長，去除率呈上升趨勢，并且在60min時去除率可以達(dá)到86.7%，隨后即使降解時間增長，但去除率基本上和降解時間為60min時差別不大，所以在后續(xù)實驗過程中降解時間取60min。

2.2 pH 值

取已配置好的6份反應(yīng)液250ml于錐形瓶中，調(diào)節(jié)初始 pH 值為 2、3、4、5、6、7，加入雙氧水0.15mL、七水合硫酸亞鐵 0.013g、設(shè)置超聲波清洗器功率為500w，對反應(yīng)液進(jìn)行降解60min。不同pH值對US/Fenton試劑法降解對硝基苯酚的影響如圖2所示。

圖2 不同pH值對US/Fenton試劑法降解P－NP的影響

從圖2可見，當(dāng)溶液pH值為7，溶液為中性時，US/Fenton試劑對水中對硝基苯酚幾乎沒有降解作用。當(dāng)溶液呈酸性時，對于濃度為180mg/L的對硝基苯酚溶液，pH值由2增大到3再增大到7，對硝基苯酚的降解率由81.4%升到86.0%再降到8.99%。可見，在我們所研究的范圍內(nèi)，pH值為3時降解速率最高。彭曉蘭[11]等研究了對硝基苯酚在水中的離解，發(fā)現(xiàn)分子態(tài)對硝基苯酚更容易進(jìn)入氣相區(qū)、膜區(qū)和氣相區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，而離子態(tài)對硝基苯酚無法進(jìn)入氣相區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，且在酸性較強(qiáng)的條件下，溶液中分子態(tài)的對硝基苯酚增多，恰好和我們的實驗結(jié)果一致，因此，在本次實驗中采用pH值為3。

2.3 Fe2+濃度

取已配置好的五份反應(yīng)液250mL置于錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH值為3，加入雙氧水0.15mL，分別加入七水合硫酸亞鐵為 0.010g、0.015g、0.020g、0.025g、0.030g，對應(yīng) Fe2+ 濃度分別為 8、12、16、20、24mg/L，設(shè)置超聲波清洗器功率為500w進(jìn)行降解60min，降解結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同F(xiàn)e2+濃度對US/Fenton試劑法降解P－NP的影響

如圖3所示，當(dāng)Fe2+初始濃度為8mg/L時，對硝基苯酚的降解率為84.87%，隨著投加量的增加而增加，F(xiàn)e2+初始濃度為16mg/L時，對硝基苯酚的降解率為86.43%，再繼續(xù)增加Fe2+的初始濃度降解率降低了。原因是因為H2O2在高催化劑作用下，瞬間可產(chǎn)生過多的活性·OH，多余的未消耗的·OH自身相互反應(yīng)被消耗掉了，致使催化作用下產(chǎn)生的活性·OH未被有效利用。因此，F(xiàn)e2+最優(yōu)濃度取值為16mg/L。

2.4 超聲功率

取已配制好的六份反應(yīng)液250mL置于錐形瓶中，調(diào)節(jié) pH值為3，投加 Fe2+初始濃度為16mg/L的七水合硫酸亞鐵量為0.020g，加入雙氧水量為0.15mL、設(shè)置超聲波清洗器功率分別為250w、300w、350w、400w、450w、500w 進(jìn)行降解60min。不同超聲功率下US/Fenton試劑法降解對硝基苯酚的降解情況見圖4所示。

由圖4可知，隨著超聲功率的增加，對硝基苯酚的降解率也在增加，當(dāng)超聲功率為250w時，降解率為83.91%;當(dāng)超聲功率為500w時降解率增加到86.52%，本實驗的超聲功率選擇為500w。

圖4 超聲功率對US/Fenton試劑法降解P－NP的影響

2.5 H2O2加入量

取已配置好的七份反應(yīng)液250mL置于錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH值為3，投加七水合硫酸亞鐵量為0.020g，分別加入雙氧水量為 0.10mL、0.15mL、0.20mL、0.25mL、0.30mL、0.35mL、0.4mL，設(shè)置超聲波清洗器功率為500w進(jìn)行降解60min。不同H2O2濃度下對硝基苯酚的降解情況如圖5。

圖5 不同H2O2的加入量對US/Fenton試劑法降解P－NP的影響

由圖5可見，當(dāng)H2O2投加量為0.1mL時，降解率為65.37%。當(dāng)H2O2投加量為0.35mL時，降解率為98.37%，提高了33%多。當(dāng) H2O2投加量增加到0.4mL時，水中對硝基苯酚的降解率則從98.37%提高到98.98%，效果不明顯，為了節(jié)省原料，將選用H2O2初始濃度為0.35mL。

3 優(yōu)選前后的降解效果

取兩份對硝基苯酚溶液250mL置于錐形瓶中，優(yōu)化前條件為:pH值為3，雙氧水0.15ml、七水合硫酸亞鐵量為0.015g(濃度為12mg/L)、超聲功率為500w;優(yōu)化后條件為:pH值為3，雙氧水0.35ml、七水合硫酸亞鐵量為 0.020g(濃度為16mg/L)、超聲功率為500w，對優(yōu)化前后的兩份試樣進(jìn)行降解，研究其濃度隨降解時間的變化。實驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在優(yōu)選條件下US/Fenton試劑法降解對硝基苯酚60min后的去除率可達(dá)到99%，比優(yōu)化前高出12.5%。說明優(yōu)化條件的選擇對實驗非常重要。

圖6 優(yōu)化前后US/Fenton試劑法降解PNP比較

4 結(jié)論

1、US/Fenton試劑法對水中對硝基苯酚的降解率受pH影響明顯。實驗中最佳pH為3。

2、US/Fenton試劑法降解水中對硝基苯酚，F(xiàn)e2+初始濃度為16mg/L比較適合。

3、在所研究的范圍里，隨著H2O2投加量的增加，水中對硝基苯酚的降解率有很大的提高。實驗中最佳量為0.35mL。

4、隨著超聲功率的增加US/Fenton試劑降解對硝基苯酚的降解率也在增加。

5、對于180mg/L的對硝基苯酚，當(dāng)pH值為3，F(xiàn)e2+初始濃度為16mg/L，H2O2初始濃度為0.35mL，超聲功率為500w，降解時間為60min時降解效果最好，可達(dá)到99%。

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