超聲協(xié)同高鐵酸鉀降解苯酚廢水研究

劉菲，劉啟龍，黃蓓，趙勝勇

(1.河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州 450052;2.河南省科學院質(zhì)量檢驗與分析測試中心,河南 鄭州 450002)

苯酚是一種應(yīng)用廣泛的芳香族化合物，具有有毒和不易降解等諸多不良特性[1-2]，對人類健康有一定的威脅[3]。目前處理苯酚廢水的方法有物理法[4](吸附法[5]和萃取法[6])、生物降解法[7-9]、化學法[10](化學氧化法[11]、催化氧化法[12-13]、電化學氧化法[14]和超聲波氧化法[15])等幾種。為了更好地處理苯酚，聯(lián)合處理方法也逐步被廣大科研人員所探索[16]。

超聲波[17]和高鐵酸鉀[18]在處理廢水過程中有共性，也有各自的優(yōu)點。如高鐵酸鉀具有很強的氧化性，反應(yīng)產(chǎn)物無毒無害；超聲波是一種清潔、無二次污染的新型水處理技術(shù)。本研究采用超聲協(xié)同高鐵酸鉀法對苯酚廢水進行深度處理。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

苯酚、硫代硫酸鈉、硫酸、氫氧化鈉均為分析純；高鐵酸鉀(純度98.0%，粉末狀)為化學純；苯酚廢水為模擬廢水(含量為0.10 g/L)。

JJ-1電動機械攪拌器：SYU-4-180T超聲波反應(yīng)器;LC-10AP液相色譜儀;PHS-25數(shù)顯pH計;JJ-1000電子天平。

1.2 模擬廢水配制

準確稱取0.30 g苯酚溶于3 L去離子水中，充分攪拌，得到模擬苯酚廢水的濃度為0.10 g/L。

1.3 實驗方法

在室溫25 ℃的條件下，將300 mL苯酚廢水加入到500 mL燒杯中，然后將燒杯放入超聲波反應(yīng)器內(nèi)(事先加入適量高度的水)，開動電動機械攪拌器，轉(zhuǎn)數(shù)150 r/min，使用鹽酸或者氫氧化鈉調(diào)節(jié)苯酚廢水的pH值，加入高鐵酸鉀后，開動超聲波反應(yīng)器，超聲處理的頻率為40 kHz，功率為180 W，反應(yīng)到達預(yù)定時間后停止攪拌和超聲處理，靜置20 min，吸取3 mL上層清液進行離心處理后，將其稀釋1/10 后通過液相色譜儀進行苯酚殘留濃度分析，根據(jù)面積外標法計算苯酚去除率。

單獨進行高鐵酸鉀降解實驗時，只打開電動機械攪拌器即可。

2 結(jié)果與討論

2.1 高鐵酸鉀投加量對苯酚去除率對比

在相同實驗條件下，初始pH值為8，反應(yīng)時間為60 min，改變高鐵酸鉀的投加量，單高鐵酸鉀法、超聲協(xié)同高鐵酸鉀法對苯酚的去除率，結(jié)果見圖1。

圖1 高鐵酸鉀投加量對苯酚去除率對比圖Fig.1 Comparison diagram of phenol removal rate by potassium ferrate dosage

由圖1可知，在超聲協(xié)同高鐵酸鉀體系中，60 min 的反應(yīng)時間里，隨著高鐵酸鉀投加量的增加，在高鐵酸鉀投加量為1.0 g/L時苯酚去除率達到了90%左右，此后苯酚的去除率基本沒有變化，說明反應(yīng)基本結(jié)束，繼續(xù)加大高鐵酸鉀投加量意義不大。而在單獨高鐵酸鉀體系中，隨著高鐵酸鉀投加量的增加，苯酚去除率不斷提高，在高鐵酸鉀投加量為1.0 g/L時，苯酚去除率僅為58.7%；即使高鐵酸鉀投加量為1.6 g/L時，苯酚去除率仍未達到80%。對比兩種方法，在使用較低的高鐵酸鉀投加量情況下，超聲協(xié)同高鐵酸鉀法去除苯酚的效果明顯好于高鐵酸鉀單獨氧化處理苯酚的效果。超聲協(xié)同高鐵酸鉀法不僅有強氧化劑高鐵酸鉀去除苯酚，而且在超聲波作用下，不但在空氣泡內(nèi)發(fā)生著苯酚熱分解現(xiàn)象，并且水溶液中的水分子熱裂解生成較高活性的羥基自由基，增強了對苯酚的氧化能力，所以相同高鐵酸鉀投加量，超聲協(xié)同高鐵酸鉀法具有更好的苯酚去除效果。因此，以下實驗兩種方法高鐵酸鉀投加量均設(shè)置為1.0 g/L。

2.2 廢水溶液pH值對苯酚去除率對比

在相同實驗條件下，高鐵酸鉀投加量為1.0 g/L，反應(yīng)時間為60 min，改變廢水溶液的pH值，單高鐵酸鉀法、超聲協(xié)同高鐵酸鉀法對苯酚的去除率，結(jié)果見圖2。

圖2 廢水pH對苯酚去除率對比圖Fig.2 Comparison diagram of phenol removal rate by wastewater pH

由圖2可知，在超聲協(xié)同高鐵酸鉀體系中，60 min 的反應(yīng)時間內(nèi)，隨著廢水溶液pH值的增加，苯酚去除率先升高，然后降低，最佳的pH值為8，此時苯酚去除率為89.8%，但是在pH值6～9范圍內(nèi)，苯酚去除率均為86%以上。而在單獨高鐵酸鉀體系中，隨著廢水溶液pH值的增加，苯酚去除率也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最佳的pH值為9，此時苯酚去除率為60.2%。對比兩種方法，在相同廢水溶液pH值的情況下，超聲協(xié)同高鐵酸鉀法去除苯酚的效果明顯好于高鐵酸鉀單獨氧化處理苯酚的效果。單高鐵酸鉀法中的高鐵酸鉀在酸性條件下不穩(wěn)定，在堿性條件下穩(wěn)定性提高，所以單高鐵酸鉀法在pH值為9的時候苯酚去除率達到最高，而超聲協(xié)同高鐵酸鉀法在酸性條件下溶液中游離氫離子有利于羥基自由基的產(chǎn)生，增強了對苯酚的氧化能力，所以在酸性條件下超聲協(xié)同高鐵酸鉀法苯酚去除率遠遠大于單高鐵酸鉀法，在堿性條件下雖然超聲波去除苯酚的作用會降低，但是高鐵酸鉀在堿性條件下穩(wěn)定性大大增強，所以出現(xiàn)了在pH值6～9范圍內(nèi)，苯酚去除率均為86%以上這一現(xiàn)象，而最佳pH值為8。因此，以下實驗兩種方法廢水溶液的pH值均設(shè)定為8。

2.3 反應(yīng)時間對苯酚去除率對比

由圖3可知，在超聲協(xié)同高鐵酸鉀體系中，隨著反應(yīng)時間的延長，苯酚去除率逐步升高，最后基本不再變化。在最初的10 min，苯酚去除率達到63.1%；50 min達到最高的89.8%，而后苯酚去除率基本不變。而在單獨高鐵酸鉀體系中，隨著反應(yīng)時間的延長，苯酚去除率和在超聲協(xié)同高鐵酸鉀體系類似，區(qū)別在于苯酚去除率較低，且出現(xiàn)最高時間為40 min。對比兩種方法，在相同反應(yīng)時間50 min的情況下，超聲協(xié)同高鐵酸鉀法去除苯酚的效果明顯好于高鐵酸鉀單獨氧化處理苯酚的效果。

圖3 反應(yīng)時間對苯酚去除率對比圖Fig.3 Comparison diagram of reaction time on phenol removal rate

3 結(jié)論

(1)超聲協(xié)同高鐵酸鉀法氧化降解苯酚廢水的效果比單高鐵酸鉀法更好，在相同高鐵酸鉀投加量的條件下，苯酚去除率增加30%以上。

(2)超聲協(xié)同高鐵酸鉀法處理0.10 g/L苯酚廢水時，最佳反應(yīng)條件是：高鐵酸鉀投加量1.0 g/L，廢水溶液pH值為8，反應(yīng)時間為50 min，此時苯酚去除率為89.8%。

(3)超聲協(xié)同高鐵酸鉀對廢水溶液pH值的兼容性較高，在pH值為6～9范圍內(nèi)，苯酚去除率均達到86%以上，具有較好的應(yīng)用前景，為處理苯酚廢水提供了一條選擇路線。