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        US/Fenton試劑法處理對(duì)硝基苯酚的研究

        2013-10-27 01:31:58汪艷霞
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn),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(duì)硝基苯酚廢水時(shí),單獨(dú)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(duì)生物毒性較大的工業(yè)廢水[7-9]。考慮到超聲化學(xué)法和Fenton試劑的特點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)采用超聲/Fenton試劑法聯(lián)用來處理對(duì)硝基苯酚廢水,考察其各種影響因素對(duì)對(duì)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(shí)驗(yàn)試劑與儀器設(shè)備

        1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

        實(shí)驗(yàn)中采用180mg/L[10]的對(duì)硝基苯酚溶液。實(shí)驗(yàn)中的試劑有:對(duì)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(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

        表1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        將對(duì)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(shí)間,待反應(yīng)完全后,靜止一定時(shí)間,然后采用紫外分光光度計(jì)對(duì)其濃度進(jìn)行分析。以觀察對(duì)硝基苯酚的去除率及降解效果。

        通過實(shí)驗(yàn)研究來探討影響對(duì)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(duì)氯苯酚的最佳條件。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 降解時(shí)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(duì)水中對(duì)硝基苯酚降解的影響。分別在 10、20、30、60、120min時(shí)對(duì)降解的試樣進(jìn)行測(cè)定分析。分析結(jié)果如圖1所示。

        圖1 不同時(shí)間P-NP降解情況

        從圖1可看出,隨著降解時(shí)間的增長(zhǎng),去除率呈上升趨勢(shì),并且在60min時(shí)去除率可以達(dá)到86.7%,隨后即使降解時(shí)間增長(zhǎng),但去除率基本上和降解時(shí)間為60min時(shí)差別不大,所以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中降解時(shí)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(duì)反應(yīng)液進(jìn)行降解60min。不同pH值對(duì)US/Fenton試劑法降解對(duì)硝基苯酚的影響如圖2所示。

        圖2 不同pH值對(duì)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(shí),US/Fenton試劑對(duì)水中對(duì)硝基苯酚幾乎沒有降解作用。當(dāng)溶液呈酸性時(shí),對(duì)于濃度為180mg/L的對(duì)硝基苯酚溶液,pH值由2增大到3再增大到7,對(duì)硝基苯酚的降解率由81.4%升到86.0%再降到8.99%??梢姡谖覀兯芯康姆秶鷥?nèi),pH值為3時(shí)降解速率最高。彭曉蘭[11]等研究了對(duì)硝基苯酚在水中的離解,發(fā)現(xiàn)分子態(tài)對(duì)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(duì)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(duì)硝基苯酚增多,恰好和我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,因此,在本次實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(shí),對(duì)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(shí),對(duì)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?yàn)镠2O2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(duì)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(duì)硝基苯酚的降解率也在增加,當(dāng)超聲功率為250w時(shí),降解率為83.91%;當(dāng)超聲功率為500w時(shí)降解率增加到86.52%,本實(shí)驗(yàn)的超聲功率選擇為500w。

        圖4 超聲功率對(duì)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(duì)硝基苯酚的降解情況如圖5。

        圖5 不同H2O2的加入量對(duì)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(shí),降解率為65.37%。當(dāng)H2O2投加量為0.35mL時(shí),降解率為98.37%,提高了33%多。當(dāng) H2O2投加量增加到0.4mL時(shí),水中對(duì)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(duì)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(duì)優(yōu)化前后的兩份試樣進(jìn)行降解,研究其濃度隨降解時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)水中對(duì)硝基苯酚的降解率受pH影響明顯。實(shí)驗(yàn)中最佳pH為3。

        2、US/Fenton試劑法降解水中對(duì)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(duì)硝基苯酚的降解率有很大的提高。實(shí)驗(yàn)中最佳量為0.35mL。

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

        5、對(duì)于180mg/L的對(duì)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(shí)間為60min時(shí)降解效果最好,可達(dá)到99%。

        [1]王雪蓮,王林格,黃勇.超聲化學(xué)在降解水中有機(jī)污染物的應(yīng)用[J].化學(xué)通報(bào),2006,32(3).

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