鐵炭法去除地下水中2,4—二氯酚的試驗(yàn)研究

河南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 丁 娜 王 哲 周 杰

鐵炭法去除地下水中2,4—二氯酚的試驗(yàn)研究

河南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 丁 娜 王 哲 周 杰

氯代酚類(lèi)有機(jī)污染物是一種環(huán)境激素，被國(guó)家列為地下水中重點(diǎn)控制的污染物之一。長(zhǎng)期飲用被氯酚污染的地下水，會(huì)引起頭暈、貧血、失眠等病癥。但是，由于氯酚類(lèi)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且毒性較強(qiáng)，不適宜直接用生物法處理，而采用生化、化學(xué)處理工藝普遍存在降解周期長(zhǎng)、效率低、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，在我國(guó)沒(méi)有得到普遍應(yīng)用。鐵炭法是近30年發(fā)展起來(lái)的一種降解地下水中的2，4-二氯酚的電化學(xué)處理工藝，具有低能耗、清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)。

本文，筆者選取2，4-二氯酚為目標(biāo)物質(zhì)，通過(guò)批處理試驗(yàn)來(lái)研究鐵炭混合填料對(duì)地下水中2，4-二氯酚在各種影響因素下的去除效果，確定最佳反應(yīng)條件，為地下水中氯酚類(lèi)污染物的有效去除和地下水修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

一、材料和方法

1.試驗(yàn)材料。鐵屑：取自鄭州市某廢品收購(gòu)站，形狀不規(guī)則，實(shí)驗(yàn)前用0.1mol/L的鹽酸浸洗3次，以去除鐵屑表面的雜質(zhì)、油污及氧化膜，最后用去離子水沖洗至中性，快速烘干，過(guò)50目篩備用?；钚蕴浚航?jīng)碾細(xì)過(guò)50目篩后備用。2，4-二氯酚：化學(xué)純，廣州偉伯化工有限公司，規(guī)格為99%。試驗(yàn)用水為自制去離子水。

2.分析方法。2，4-二氯酚的測(cè)定采用紫外分光光度法。

3.試驗(yàn)方法。首先，通過(guò)向8個(gè)洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭質(zhì)量比為1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，6∶1，7∶1，8∶1的鐵炭混合物5g和含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，確定最佳鐵炭比。其次，在最佳鐵炭比的環(huán)境中通過(guò)4個(gè)單因素試驗(yàn)確定pH值、溫度、反應(yīng)時(shí)間、初始2，4-二氯酚濃度的變化對(duì)2，4-二氯酚去除效果的影響。

二、試驗(yàn)結(jié)果和分析

1.最佳鐵炭比的選擇。試驗(yàn)將玻璃塞封口后的錐形瓶置于振蕩器中，在20±0.3℃，110±3r/min環(huán)境下，連續(xù)振蕩24h，用0.45 μm濾膜過(guò)濾，吸取適量濾液測(cè)定2，4-二氯酚的含量。不同鐵炭比對(duì)2，4-二氯酚的處理效果如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)鐵炭比為2∶1時(shí)，鐵炭混合填料對(duì)2，4-二氯酚的去除效果最好。原因是當(dāng)鐵炭質(zhì)量比小于2時(shí)，由于微電池作陽(yáng)極的Fe被較多的C包裹，減少了Fe與水溶液的有效接觸面積，不利于氧化腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致陰極還原脫氯反應(yīng)速率減慢，脫氯效率較低。當(dāng)鐵炭質(zhì)量比大于2時(shí)，脫氯效率呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殍F和炭的含量不匹配，微電池對(duì)數(shù)明顯減少所致。因此，鐵炭質(zhì)量比為2∶1時(shí)可以作為試驗(yàn)中原電池的最佳鐵炭比。

2.pH值對(duì)2，4-二氯酚去除效果的影響。在10個(gè)洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭比2∶1的混合物5g，在不同pH值（3.0～12.0）條件下，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，將上述錐形瓶置于振蕩器中，在20±0.3℃，110±3r/min環(huán)境下，連續(xù)振蕩24h，用0.45μm濾膜過(guò)濾，吸取適量濾液測(cè)定2，4-二氯酚的含量，分析pH的變化對(duì)2，4-二氯酚去除效果的影響。不同pH值條件下鐵炭混合填料對(duì)2，4-二氯酚的處理效果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著pH值的增加，2，4-二氯酚的去除率逐漸降低，這說(shuō)明偏酸性環(huán)境（pH3～5）對(duì)2，4-二氯酚的還原能力比中性和偏堿性的要好，是由于在酸性條件下高[H+]環(huán)境使脫氯反應(yīng)易于發(fā)生。在pH值逐漸升高到7.0過(guò)程中，由于[H+]濃度逐漸降低使得鐵腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的鐵離子轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵沉淀附著在金屬表面，從而阻止了脫氯反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)pH值在7.0～10.0之間時(shí)，脫氯效率波動(dòng)較大，原因是在堿性環(huán)境中部分[OH-]被還原使得水環(huán)境中溶解氧的增加導(dǎo)致pH值逐漸降低所致。

3.溫度對(duì)2，4-二氯酚去除效果的影響。試驗(yàn)在3個(gè)洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭混合物5g，于不同溫度（10℃，20℃，30℃）條件下，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，將上述錐形瓶置于振蕩器中，在110±3r/ min環(huán)境下，連續(xù)振蕩24h，用0.45μm濾膜過(guò)濾，吸取適量濾液測(cè)定其中2，4-二氯酚的含量，分析溫度變化對(duì)2，4-二氯酚去除效果的影響。

不同反應(yīng)溫度下鐵炭混合填料對(duì)2，4-二氯酚的處理效果如圖3所示。圖3表明，鐵炭混合填料對(duì)2，4-二氯酚的去除效果隨反應(yīng)溫度的升高而升高，并最終趨于穩(wěn)定。原因可能是在溫度較低時(shí)，2，4-二氯酚的去除主要依靠活性炭的吸附作用來(lái)完成，而活性炭對(duì)2，4-二氯酚的吸附過(guò)程是一個(gè)放熱過(guò)程，所以溫度越低越有利于活性炭對(duì)2，4-二氯酚的吸附。在溫度升高到20℃過(guò)程中，鐵炭組合填料對(duì)2，4-二氯酚的去除率明顯升高，在這個(gè)過(guò)程中活性炭對(duì)2，4-二氯酚的去除能力減弱，而鐵屑對(duì)2，4-二氯酚的去除能力增強(qiáng)，這可以由阿累尼烏斯方程K=Ko（-E/ RT）解釋?zhuān)礈囟壬?，反?yīng)速度加快，對(duì)2，4-二氯酚的去除效果有所提高；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，可以看出溫度的變化對(duì)反應(yīng)影響不大。這是因?yàn)橛袡C(jī)物反應(yīng)涉及C-Cl鍵的斷裂，而2，4-二氯酚的C-Cl鍵鍵能一般較高，即斷鍵所需的活化能較高，在較低溫度范圍條件下，溫度的上升對(duì)反應(yīng)影響不大。

4.反應(yīng)時(shí)間對(duì)2，4-二氯酚去除效果的影響。在12個(gè)洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭混合物5g，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，將上述錐形瓶置于振蕩器中，在20±0.3℃，110±3r/min環(huán)境下，連續(xù)振蕩，分別在1～12h時(shí)取出一個(gè)樣，用0.45μm濾膜過(guò)濾，吸取適量濾液測(cè)定其中2，4-二氯酚的含量，做一個(gè)動(dòng)態(tài)反應(yīng)等溫線。結(jié)果表明，鐵炭填料對(duì)2，4-二氯酚的去除率在前4h內(nèi)迅速上升，其后去除率提高緩慢。在前4h內(nèi)，鐵炭混合填料對(duì)2，4-二氯酚的去除率達(dá)到90%左右。原因是在開(kāi)始階段，鐵炭填料對(duì)2，4-二氯酚的去除起主要作用的是活性炭的吸附，而活性炭對(duì)2，4-二氯酚的吸附迅速，所以2，4-二氯酚的濃度迅速降低。而隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，至7h后，鐵炭微電解作用逐漸占主導(dǎo)地位，2，4-二氯酚的去除率趨于平緩。因此，選擇最佳停留時(shí)間為7h。

5.初始2，4-二氯酚濃度對(duì)去除效果的影響。在6個(gè)洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭質(zhì)量比為2∶1的鐵炭混合物5g，分別均加入濃度為0mg/L，10mg/L，20mg/L，40mg/L，60mg/ L，100mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，將上述錐形瓶置于振蕩器中，在20±0.3℃，110±3r/min環(huán)境下，連續(xù)振蕩24h，用0.45μm濾膜過(guò)濾，吸取適量濾液測(cè)定2，4-二氯酚的含量，分析初始2，4-二氯酚濃度對(duì)去除效果的影響。結(jié)果表明，在低初始2，4-二氯酚濃度時(shí)，2，4-二氯酚被還原脫氯的機(jī)會(huì)少，去除率也較低。隨著初始2，4-二氯酚濃度的增高，鐵炭填料對(duì)2，4-二氯酚的去除率逐漸升高。當(dāng)初始2，4-二氯酚濃度大于40mg/L時(shí)，鐵炭填料對(duì)2，4-二氯酚的去除率逐漸降低，這是因?yàn)楫?dāng)初始2，4-二氯酚濃度較高時(shí)，鐵炭填料構(gòu)成的微電池?cái)?shù)量有限，鐵炭填料不能把水中所有的2，4-二氯酚分子降解掉，去除率較低。因此，初始2，4-二氯酚濃度為40mg/L時(shí)，鐵炭填料對(duì)2，4-二氯酚的去除率最高，能夠達(dá)到92.6%左右。

三、結(jié)論

1.在鐵碳比選擇試驗(yàn)中，當(dāng)鐵炭比為2∶1時(shí)，鐵炭混合物對(duì)2，4-二氯酚的去除效果最好，可作為最佳鐵炭配比。

2.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選擇合適的pH環(huán)境、溫度、反應(yīng)時(shí)間、初始2，4-二氯酚濃度對(duì)去除地下水中2，4-二氯酚的影響明顯。

3.通過(guò)4個(gè)單因素試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在偏酸性環(huán)境下，溫度為20℃，停留時(shí)間為7h，初始2，4-二氯酚濃度為40mg/L時(shí)鐵炭混合填料對(duì)2，4-二氯酚的去除率最高。