雷彩虹，趙素萍，楊 英

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 杭州 311402）

不同紫外光條件下UV/Fenton降解活性艷藍(lán)X-BR

雷彩虹，趙素萍，楊 英

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 杭州 311402）

研究了波長、功率、紫外燈數(shù)量和輻照時間對UV/Fenton降解活性艷藍(lán)X-BR的影響。結(jié)果表明：UVB對活性艷藍(lán)X-RB的降解效果最好，染料在60 min內(nèi)完全降解。隨著紫外光功率的增大，染料降解效率提高。在相同的功率條件下，采用多只小功率紫外燈組合的方式能夠提高處理效果。采用暗態(tài)Fenton反應(yīng)30 min后再開啟紫外燈，不僅能完全降解染料，還能夠降低運(yùn)行費(fèi)用。

Fenton氧化；紫外光源；活性艷藍(lán)X-RB

Fenton氧化法作為一種高級氧化技術(shù)在有機(jī)污染治理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。為了進(jìn)一步提高Fenton法的氧化效率，通常采用紫外光或可見光與Fenton相耦合，形成光助Fenton 技術(shù)。由于紫外光與Fe2+的協(xié)同效應(yīng)提高了H2O2的分解速率，不僅能大大提升處理效率，還可以減少 Fe2+用量，因此具有更廣泛的應(yīng)用前景［4，5］。

目前，已對水中多種難降解有機(jī)物的光助Fenton降解機(jī)理和動力學(xué)進(jìn)行了大量研究。此外，包括Fenton試劑投加量、投配比、反應(yīng)時間等多種影響光助Fenton體系處理效果的因素也被充分地調(diào)查［6-8］。然而，紫外光源作為光助Fenton體系中的重要組成部分，其作用條件對光助Fenton反應(yīng)降解效率的影響卻鮮有報道。

本文以常見染料活性艷藍(lán)X-RB為對象，考察了紫外光條件對紫外光助Fenton體系（UV/Fenton）降解效果的影響。主要研究了不同紫外光波長、紫外燈功率及數(shù)量、輻照時間條件下染料的降解規(guī)律。對于深入了解紫外光在UV/Fenton體系中的作用具有一定的意義，并對UV/Fenton處理工藝的優(yōu)化及反應(yīng)器的設(shè)計提供了有價值的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

活性艷藍(lán)X-RB（市售商業(yè)級）為蒽醌類染料，最大吸收波長598 nm，用去離子水配成1 000 mg/L的儲備液以備用。實(shí)驗(yàn)中其它試劑均為分析純。紫外光源為特制的UVC、UVB和UVA紫外燈（武漢愛斯佩科學(xué)儀器有限公司），主波長分別為254、302和365 nm，功率15 W。XR-1000紫外線強(qiáng)度計（美國Spectroline），PHB-5便攜式pH計（上海偉業(yè)儀器廠），CARY 50Probe型紫外-可見分光光度計（Varian，美國）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

反應(yīng)器為自制的圓柱形有機(jī)玻璃反應(yīng)器（內(nèi)徑80 mm，高220 mm），有效容積1 L，外部帶有水浴冷凝套夾。整個反應(yīng)器置于一個恒溫磁力攪拌器上，紫外燈懸置于反應(yīng)器中軸線，反應(yīng)器內(nèi)壁附有一層錫箔紙以提高紫外光的利用效率。實(shí)驗(yàn)步驟：向反應(yīng)器中加入600 mL初始濃度為50 mg/L的活性艷藍(lán)X-RB溶液，調(diào)節(jié)溶液pH=3，投加雙氧水0.02 mol/L及硫酸亞鐵0.005 mol/L，同時磁力攪拌3 min后，啟動紫外燈開始反應(yīng)。分別在10、30、60、90、120和240 min時取上清液，測定反應(yīng)前后染料的濃度及降解率。探討不同波長、不同功率紫外光和紫外燈個數(shù)、作用時間對活性艷藍(lán)X-RB降解效果的影響。

1.3 活性艷藍(lán)X-RB降解率的測定

活性艷藍(lán)X-RB的濃度采用分光光度法測定，在最大吸收波長處測定吸光度，根據(jù)之前繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算濃度，活性艷藍(lán)X-RB的降解率根據(jù)下式計算：

式中：C0— 反應(yīng)前活性艷藍(lán)X-RB的濃度，mg/L；

Ct— 反應(yīng)t時刻活性艷藍(lán)X-RB的濃度，mg/L。

2 結(jié)果和討論

2.1 紫外光波長的影響

不同波長紫外光（UVA、UVB、UVC）條件下，UV/Fenton體系對活性艷藍(lán)X-RB的降解效果如圖1所示。

圖1 紫外光波長對降解率的影響Fig.1 Effect of UV wavelength on degradation

可以看出，單獨(dú)的 Fenton體系對活性艷藍(lán)X-RB的降解速率較低，反應(yīng)240 min時降解率僅為86.1%。在UVA、UVB、UVC 3種紫外光源輻照下降解速率均大大提升，在120 min內(nèi)基本能夠完全降解。通常而言，UV/Fenton對有機(jī)物的氧化能力主要取決于體系中·OH的濃度，產(chǎn)生·OH的途徑主要有以下三種［9］：1）H2O2的直接光解；2）傳統(tǒng)Fenton反應(yīng)中 Fe2+對 H2O2的催化分解；3）水溶液中多種鐵羥基配合物，如Fe（H2O）63+、Fe（OH）2+、Fe（OH）2

+、Fe（OH）3、Fe2（OH）24+的光解，其中以Fe（OH）2+的光學(xué)活性最強(qiáng)。由此可見，紫外光的引入可以有效促進(jìn)·OH的產(chǎn)生。此外Fe3+在光照條件下部分轉(zhuǎn)化為Fe2+，實(shí)現(xiàn)了UV/Fenton體系中Fe3+/Fe2+的循環(huán)，大大增加了染料的降解效率［10］。3種波長的紫外光相比較而言，采用UVB時活性艷藍(lán)X-RB的降解效果最好，在60 min內(nèi)即可完全降解。一般認(rèn)為H2O2只顯著吸收波長為300 nm以下的紫外光，且紫外光波長越短則能量越高，更有利于光助Fenton反應(yīng)的發(fā)生［11，12］。另一方面，紫外光波長越短其在水中的穿透能力也會大大減弱，從而導(dǎo)致降解效率降低。

2.2 紫外燈功率的影響

分別采用5、10、15 W三只UVB紫外燈作為光源，考察紫外燈功率對UV/Fenton體系降解活性艷藍(lán)X-RB的影響，結(jié)果如圖2所示。可以看出，使用15 W的紫外燈能夠在60 min內(nèi)完全降解活性艷藍(lán)X-RB，而對于10 W和5 W的紫外燈，活性艷藍(lán)X-RB完全降解的時間則分別需要120 min和240 min。這表明隨著紫外燈功率增加，活性艷藍(lán)X-RB的分解更加迅速。其原因是紫外燈功率增加，輻射的紫外光強(qiáng)增大，則單位時間內(nèi)光通量增加，即光量子數(shù)增加，從而促進(jìn)了UV/Fenton體系產(chǎn)生更多的強(qiáng)氧化性的·OH，進(jìn)而提高活性艷藍(lán)X-RB的降解速率。陳芳艷等［13］研究了光助Fenton氧化法降解水中六氯苯，得到相同的結(jié)論。此外，對于其它紫外光參與的高級氧化反應(yīng)如：UV/H2O2［14］、UV-TiO2光催化［15］，有機(jī)物的去除率和去除速率都隨光強(qiáng)的增大而增大。

圖2 紫外等功率對降解率的影響Fig.2 Effect of UV lamp power on degradation

2.3 紫外燈數(shù)量的影響

在紫外燈輸出總功率相同的條件下，研究了不同紫外燈數(shù)量時活性艷藍(lán)X-RB的降解效果。圖3對比了反應(yīng)40 min時，1只10 W紫外燈和2只5 W紫外燈、1只15 W紫外燈和3只5 W紫外燈對降解率的影響。可以看出，雖然輻射的總功率相同，但是采用多只小功率紫外燈組合的方式能夠進(jìn)一步提高UV/Fenton體系的處理效果。這是由于紫外光入射強(qiáng)度低時，其能量利用率高，此外多個分散的光源使活性艷藍(lán) X-RB溶液接受紫外光的輻射更均勻。因此，在UV/Fenton反應(yīng)器設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮采用多個小功率光源輸入紫外線。

圖3 紫外燈數(shù)量對降解率的影響Fig.3 Effect of UV lamps on degradation

2.4 紫外光輻照時間的影響

采用15 W的UVB紫外燈作為光源，在暗態(tài)Fenton反應(yīng)的不同時刻開啟紫外燈，研究紫外光輻照時間對活性艷藍(lán)X-RB降解效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 紫外光輻射時間對降解率的影響Fig.4 Effect of UV irradiation time on degradation

可以看出，對于暗態(tài)Fenton體系，雖然活性艷藍(lán) X-RB的降解率隨著反應(yīng)時間的延長而逐漸增加，但是在反應(yīng)前90 min降解較快，之后降解率的增加則趨于平緩。Fenton氧化有機(jī)物的實(shí)質(zhì)是依靠Fe2+催化 H2O2產(chǎn)生的·OH與有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)［16］，由于體系中H2O2含量隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸消耗，并且Fe2+不斷轉(zhuǎn)化為Fe3+，大大限制了·OH的產(chǎn)生，因此90 min后活性艷藍(lán)X-RB的降解出現(xiàn)“中止”。然而，在反應(yīng)過程中引入紫外光輻照后，活性艷藍(lán) X-RB的降解速率顯著的提高，即使是在暗態(tài)Fenton“中止”后，反應(yīng)仍然能夠再次“啟動”。無論在任何時刻開啟紫外燈，活性艷藍(lán)X-RB均能夠在180 min內(nèi)完全降解。這說明在反應(yīng)過程中UV/Fenton體系同樣能夠通過Fe3+/Fe2+循環(huán)提高有機(jī)物的降解效率，并且利用 Fe（OH）2+光解實(shí)現(xiàn)長效的反應(yīng)。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在暗態(tài)Fenton反應(yīng)0 min 和30 min時開啟紫外燈的降解效果差別不大，綜合考慮處理效果和經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際運(yùn)行過程中可先Fenton反應(yīng)反應(yīng)一段時間后再開啟紫外燈。

3 結(jié) 論

研究了不同紫外光條件下UV/Fenton體系降解染料活性艷藍(lán)X-RB的規(guī)律，探討了波長、功率、紫外燈數(shù)量和輻照時間對活性艷藍(lán)X-RB降解的影響。結(jié)果表明：UVB對活性艷藍(lán)X-RB的降解效果最好，染料在60 min內(nèi)完全降解。隨著紫外光功率的增大，染料降解效率提高。在相同的功率條件下，采用多只小功率紫外燈組合的方式能夠提高處理效果。在暗態(tài)Fenton反應(yīng)0 min 和30 min時開啟紫外燈的降解效果差別不大，綜合考慮處理效果和經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際運(yùn)行過程中可先Fenton反應(yīng)反應(yīng)一段時間后再開啟紫外燈。

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Degradation of Reactive Brilliant Blue X-BR
by UV/Fenton Under Different UV Source Conditions

LEI Cai-hong，ZHAO Su-ping，YANG Ying
（Hangzhou Polytechnic，Hangzhou Zhejiang 311402，China）

Effect of wavelength， power， UV lamp number and irradiation time on degradation of reactive brilliant blue X-BR by UV/Fenton was investigated. The results show that the dye can be completely removed within 60 min using a UVB lamp. Degradation efficiency of the dye increases with an increase in UV lamp power. Under the condition of a constant UV power， degradation efficiency can be improved by using several lamps with low power. The UV lamp is turn on after 30 min of Fenton reaction in dark， which can achieve a complete degradation of dye and reduce the operation cost.

Fenton oxidation； Ultraviolet source； Reactive brilliant blue X-BR

X 791

A

1671-0460（2015）12-2766-03

浙江省教育廳科研項(xiàng)目資助，Y201534093。

2015-08-20

雷彩虹（1972-），女，陜西渭南人，副教授，碩士學(xué)位，1994年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，研究方向?yàn)楣I(yè)水處理。E-mail：lch@mail.hzaspt.edu.cn。