孔詩詩, 關(guān)曉彤, 林小琳，趙東升，苗淏睿，孟鑫

微波誘導(dǎo)氧化-Fenton試劑處理TNT廢水的研究

孔詩詩, 關(guān)曉彤, 林小琳，趙東升，苗淏睿，孟鑫

（沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 遼陽 111003）

為有效地處理TN T廢水, 研究了微波誘導(dǎo)氧化-Fenton試劑對其的處理效果。通過正交實(shí)驗(yàn)考察各因素對反應(yīng)的影響， 結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)確定了最佳反應(yīng)條件，結(jié)果表明，在微波功率為480 W、微波輻射時(shí)間3 min、活性炭用量3.5 g，H2O2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%)用量為1.5 mL、FeSO4用量為0.1 g，處理50 mL稀釋10倍的TNT廢水，其COD去除率達(dá)到89.0%。又對TNT廢水的COD值構(gòu)成進(jìn)行劃分，將其分成烴類有機(jī)物和非烴類有機(jī)物，微波誘導(dǎo)氧化-Fenton試劑對非烴類有機(jī)物COD的去除率比烴類有機(jī)物COD的去除率高。

微波誘導(dǎo)氧化；Fenton試劑；正交實(shí)驗(yàn)；TNT廢水；廢水處理

近年來，我國的軍工事業(yè)發(fā)展迅速。一方面，它們?yōu)槲覈膰朗聵I(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)；另一方面，它們所產(chǎn)生的高濃度有機(jī)廢水對環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染。特別是軍工產(chǎn)業(yè)中的TNT廢水，由于其成分復(fù)雜、COD濃度高，色度深給治理帶來了很大的困難。近幾十年來國內(nèi)外開展處理TNT廢水的研究很多，其方法綜合起來有：一是物理法，有絡(luò)合萃取法[1]、吸附法[2]等；二是化學(xué)法，有臭氧法[3]、紫外線照射[4]、超臨界水氧化[5]、電化學(xué)Fenton 法[6-7]、光催化氧化法[8]等；三是生物法處理[9-10]；四是組合方法處理[11]。

目前,國內(nèi)外對有毒、難降解有機(jī)廢水的處理，越來越關(guān)注微波輻射技術(shù)的研究及應(yīng)用[12]。本文以TNT廢水為處理對象，研究微波誘導(dǎo)氧化活性炭與Fenton試劑聯(lián)合應(yīng)用，加速Fe2+與H2O2之間的鏈?zhǔn)椒磻?yīng), 催化生成·OH,使·OH 快速氧化分解水中的污染物，為微波誘導(dǎo)氧化-Fenton試劑處理TNT廢水的實(shí)際運(yùn)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。此外，本文對TNT廢水的COD值構(gòu)成進(jìn)行劃分，將其分成烴類有機(jī)物和非烴類有機(jī)物，考察微波誘導(dǎo)氧化-Fenton試劑對哪類有機(jī)物的去除效果好，為微波輻射技術(shù)具體應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器及藥品

儀器：微波爐(功率800 W，頻率2 450 MHz)；電子數(shù)字天平；pHS-25型pH計(jì)；電熱恒溫干燥箱；250 mL全玻璃回流裝置。

藥品：K2CrO7、Ag2SO4、(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O、H2O2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)、HgSO4、FeSO4.7H2O、石油醚（60～90 ℃），NaOH均為分析純；濃H2SO4，優(yōu)級純；顆?；钚蕴?。

1.2 試驗(yàn)方法

按下式計(jì)算TNT廢水COD的去除率：

COD去除率=（0-）/0×100%

式中：0—處理前廢水的COD，mg·L-1；

—處理后廢水的COD，mg·L-1。

COD的測定，采用GB 11914—89規(guī)定的重鉻酸鉀法。

1.3 水質(zhì)概況

取自遼寧某特種化工有限公司，COD值約76 127.52 mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了L9(34)4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，考察了活性炭用量、H2O2加入量、微波輻射時(shí)間和微波輻射功率等4個(gè)因素對稀釋10倍后TNT廢水COD去除率的影響。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1得出影響TNT廢水COD去除率的各因素主次關(guān)系是：A>C>B>D；最佳處理?xiàng)l件為A2B2C1D3，即活性炭用量為3.5 g、H2O2用量為1.5 mL、微波輻射時(shí)間為2 min、微波輻射功率為640 W時(shí)，TNT廢水COD去除率為86.2%。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 最佳活性炭用量的確定

從圖1可以看出，隨著活性炭用量的增多，活性炭所吸附的需降解的物質(zhì)量也增加，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，COD的去除率也隨之增加，當(dāng)活性炭用量大于3.5 g時(shí)COD去除率上升緩慢。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，活性炭用量選用3.5 g。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖1 活性炭用量對COD去除率的影響

2.2.2 最佳H2O2用量的確定

實(shí)驗(yàn)考察了H2O2用量對COD去除率的影響，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，隨著H2O2用量的增加，COD的去除率開始呈緩慢上升趨勢，但當(dāng)6%的H2O2大于1.5 mL時(shí)，COD的去除率開始下降。根據(jù)Fenton試劑反應(yīng)機(jī)理可知，反應(yīng)速率與需降解的物質(zhì)濃度和H2O2的用量的乘積成正比。但是當(dāng)H2O2增加到一定量時(shí)，COD的去除率反而降低，這是由于在催化反應(yīng)中剩余的H2O2在測定COD時(shí)充當(dāng)了還原劑，導(dǎo)致了COD的去除率的降低。所以選用1.5 mL的H2O2。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖2 H2O2用量對COD去除率的影響

2.2.3 最佳微波輻射時(shí)間的確定

實(shí)驗(yàn)考察了微波輻射時(shí)間對COD去除率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 微波輻射時(shí)間對COD去除率的影響

從圖3可以看出，隨著微波輻照時(shí)間的延長，開始COD的去除率增加很快，但3 min之后呈緩慢趨勢?？紤]到成本等原因選用微波輻照時(shí)間為3分鐘。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所不同，可能因?yàn)檎粚?shí)驗(yàn)中同時(shí)改變4個(gè)反應(yīng)條件，單因素實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的是在其他條件不變下，某一因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，因此，兩者會存在差異。

2.2.4 最佳微波輻射功率的確定

實(shí)驗(yàn)考察了微波輻射功率對COD去除率的影響，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，隨著微波輻射功率的增大，COD的去除率也隨之增大，在480 W以后增加緩慢。但是有資料顯示，并不是微波輻射功率越大越好?？紤]到處理成本選用微波輻射功率480 W。

圖4 微波輻射功率對COD去除率的影響

2.2.5 最佳單因素組合實(shí)驗(yàn)

微波誘導(dǎo)氧化-Fenton試劑處理TNT廢水的最佳條件為：活性炭用量3.5 g，微波功率為480 W、微波輻射時(shí)間為3 min、H2O2用量為1.5 mL、硫酸亞鐵用量為0.1 g，在此條件下，處理稀釋10倍的TNT廢水可使其COD去除率達(dá)到89.0%。

2.3 TNT廢水COD值分類測定

把TNT廢水中的COD值分成三類，烴類有機(jī)物COD值，非烴類有機(jī)物COD值和無機(jī)物COD值。由于無機(jī)可還原性物質(zhì)對該TNT廢水COD的影響較小，因此污水中對COD有貢獻(xiàn)的成分主要是有機(jī)物。把這些有機(jī)物分為兩部分：一是可被60～90 ℃石油醚萃取的有機(jī)物；二是不能被石油醚萃取且能保留在水相中的有機(jī)物。故可以把此TNT廢水的COD值近似分成烴類有機(jī)物COD值和非烴類有機(jī)物COD值兩大類。

從表2可以得出，在TNT廢水中非烴類有機(jī)物比烴類有機(jī)物的含量高，并且在最佳條件處理下非烴類有機(jī)物COD的去除率比烴類有機(jī)物COD的去除率高，說明微波誘導(dǎo)氧化-Fenton試劑適用于處理非烴類有機(jī)物含量高的廢水。

表2 TNT廢水COD值分類

3 結(jié) 論

1）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,各因素影響的主次關(guān)系是：活性炭用量>微波輻射時(shí)間> H2O2用量>微波輻射功率。其中活性炭用量是主要因素，要想提高COD去除率，應(yīng)該首先考慮活性炭用量變化的影響。

2）對TNT廢水的COD值構(gòu)成進(jìn)行劃分，結(jié)果表明微波誘導(dǎo)氧化-Fenton試劑對非烴類有機(jī)物COD的去除率比烴類有機(jī)物COD的去除率高，說明該法適用于處理非烴類有機(jī)物含量高的廢水。

[1]王倩,張衍文,李明.絡(luò)合萃取法預(yù)處理TNT紅水的研究[J].含能材料,2016,24 (7):703-708.

[2] 付丹.改性活性炭纖維吸附炸藥廢水中TNT實(shí)驗(yàn)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2015,41 (2):19-21.

[3] AI C L. Degradation of explosive wastewater containing RDX with ozone oxidization[J]. Chinese Journal of Energetic Material, 2007, 15 (2): 178-180.

[4] CHEN WS，JUAN C N，WEl K M．Decomposition of dinitrotoluene isomers and 2,4, 6-trinitrotoluene in spent acid from toluene nitration process by ozonation and photo-ozonation[J].，2007，147 (1/2)：97-104.

[5] 趙保國,劉玉存,常雙君.超臨界水氧化處理二硝基甲苯廢水研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2007,30(2):71-74.

[6] 高素霞，宋小三，周旭初．電解Fenton 法處理TNT 廢水實(shí)驗(yàn)研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32 (4):151-154.

[7] 李定昌, 柴濤,宋宇超.電-Fenton 法降解TNT 彈藥銷毀廢水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2015, 9(3): 1297-1302.

[8] 劉欣偉，陳勇，陳超，等.光催化材料在TNT彈藥廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2015, 29(26): 428-432.

[9] 林凡聰，劉玉存. 生物降解火炸藥廢水研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理 ,2009,12 (35):11-15.

[10] 張瑜, 賀延齡, 胡章斌, 等. 混合炸藥廢水的厭氧生化可降解性研究[J]. 工業(yè)水處理, 2010, 30(10): 45-48.

[11] 郝志，葉正芳，趙泉林．物化-生物組合工藝處理 TNT紅水[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013, 7 (8): 2991-2996.

[12] 王潔,畢曉伊, 許曉毅,等.微波輔助催化氧化法在水處理中的應(yīng)用[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013,35(S1):286-288.

Treatment of TNT Wastewater by Microwave Induced Oxidation-Fenton Reagent

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（School of Petroleum & Chemical Technology, Shenyang University of Technology, Liaoyang Liaoning 111003, China）

In order to treat TNT wastewater effectively, the effect of treating the wastewater with microwave induced oxidation-Fenton reagent was studied. The results of orthogonal experiment and single factor experiments suggested that when microwave power was 480 W, microwave irradiation time was 3 min, amount of activatedcarbon was 3.5 g, amount of H2O2(6%) was 1.5 mL and FeSO4was 0.1 g, the removal rate of COD was 89.0% for 50 mL TNT wastewater after diluting 10 times. COD value composition of TNT wastewater was divided into hydrocarbons and non-hydrocarbon organic matter, non-hydrocarbon organic matter removal rate of COD was higher than the removal rate of hydrocarbons COD by microwave induced oxidation-Fenton reagent.

Microwave induced oxidation; Fenton reagent; Orthogonal experiment; TNT wastewater; Wastewater treatment

2020-07-22

孔詩詩（1999-），女，遼寧省大連市人，研究方向：廢水處理。

關(guān)曉彤（1977-），女，滿族，講師，碩士，研究方向：廢水處理。

X703

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1004-0935（2020）11-1357-04