羥基等自由基降解飲用水中苯酚的實(shí)驗(yàn)研究

郭若軍 徐欣 彭鴻彬 依成武 王慧娟

摘 要：論文采用強(qiáng)電離放電產(chǎn)生的羥基（·OH）等自由基處理含苯酚（C6H6O）飲用水，考察了苯酚的初始濃度、·OH比值濃度、溫度、時(shí)間等單因素對(duì)·OH降解苯酚的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：苯酚的初始濃度為0.492mol/L時(shí)，溶液中苯酚幾乎可以被完全降解，隨著苯酚初始濃度增加，其降解率減??；·OH比值濃度的增加，苯酚的降解率迅速提高；不同溫度的影響實(shí)驗(yàn)表明，在14～32℃時(shí)，溫度對(duì)降解率的影響較小，各溫度下降解速率較接近，但升高反應(yīng)溫度也能提高降解率；增加反應(yīng)時(shí)間，苯酚的降解率明顯增大。在苯酚濃度為0.984mg/L，·OH比值濃度為2.54mg/L，溫度22.8℃，pH值為7.2的條件下，廢水中苯酚的質(zhì)量濃度從0.984mg/L降至0.02mg/L，降解率高達(dá)98%。

關(guān)鍵詞：羥基自由基；飲用水；苯酚；降解率

0引言

飲用水水源是保證供水安全和社會(huì)正常運(yùn)行的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，也是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部份。水源水質(zhì)的好壞會(huì)直接影響到供水水質(zhì)和人們的飲水安全。近年來，隨著工業(yè)的高速發(fā)展，有機(jī)廢水的排放大量增加，造成了人類賴以生存的水資源環(huán)境的急劇惡化。苯酚類有機(jī)物是一類在受污染水源中檢出率最高的有機(jī)污染物，是我國和美國環(huán)保局（EPA）規(guī)定的優(yōu)先控制污染物[1-2]。含酚廢水對(duì)人類和環(huán)境的危害越來越嚴(yán)重，這已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。因此有效去除廢水中的難降解有機(jī)物苯酚已經(jīng)成為當(dāng)前十分迫切的任務(wù)。

高級(jí)氧化技術(shù)是以產(chǎn)生·OH為主要氧化劑的綠色氧化技術(shù)，·OH具有氧化能力極強(qiáng)，加速水中有機(jī)物完全降解，且反應(yīng)速度快、不產(chǎn)生二次污染等[3]。本文以苯酚作為靶標(biāo)有機(jī)物，采用大氣壓強(qiáng)電場電離放電產(chǎn)生高濃度·OH進(jìn)行去除飲用水中苯酚研究，探討苯酚的初始濃度、羥基比濃度、溫度對(duì)羥基自由基降解苯酚的影響。為了確定·OH等氧化自由基對(duì)大體積苯酚溶液的處理效果，在·OH比值濃度、溫度、苯酚濃度一定的條件下，研究·OH等氧化自由基對(duì)苯酚的處理效果隨時(shí)間的變化規(guī)律，為今后·OH等氧化自由基應(yīng)急處理飲用水中苯酚提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，強(qiáng)電離放電可以獲得折合電場強(qiáng)度大于500Td，電子的平均能量大于13eV，電子密度1015/cm3，這些足以使氧、水分子發(fā)生激發(fā)、超激發(fā)和電離、離解反應(yīng)生成·OH。在強(qiáng)電離放電，每加入100eV能量就可以產(chǎn)生5.5個(gè)·OH和2.75個(gè)e-aq（水合電子），共可產(chǎn)生8.25個(gè)以上的？OH，產(chǎn)生·OH數(shù)目是弱電離放電的10余倍[4]，從而產(chǎn)生了高濃度的·OH。同時(shí)使用了高效氣液溶解裝置，提高了傳質(zhì)效率，產(chǎn)生的·OH比值濃度可高達(dá)2.33mg/L。

1.2檢測儀器

LC2010-AHT型高效液相色譜儀（日本島津），恒溫水浴鍋，溫度計(jì)等。

1.3分析方法

·OH溶液質(zhì)量濃度參考CJ/T 3028.2—94《碘量法》進(jìn)行測定，測定臭氧水濃度后，換算成羥基自由基比值濃度（mg/L），羥基濃度=0.26183臭氧水的濃度[5]。采用島津（LC-2010型）高效液相色譜儀檢測水樣中苯酚含量。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1時(shí)間對(duì)處理效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：·OH等氧化自由基產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生溶液的·OH比值濃度2.54mg/L，處理時(shí)間15min，溫度22.8℃，苯酚濃度0.984mg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

采用強(qiáng)電離放電的方法產(chǎn)生高濃度的·OH等自由基溶液來處理飲用水中的苯酚具有非常好的處理效果。隨著時(shí)間的增長，苯酚的降解率明顯增大。15min內(nèi)，·OH可將苯酚幾乎全部降解。

2.2 苯酚初始濃度對(duì)處理效果的影響

試驗(yàn)中反應(yīng)容器內(nèi)的試驗(yàn)條件如下：·OH比值濃度1.66mg/L，反應(yīng)體積500ml，處理溫度20℃，各反應(yīng)器中苯酚濃度分別為3.279mg/L、1.967 mg/L、0.984mg/L、0.492mg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)考察了苯酚初始濃度C=3.279mg/L、1.967 mg/L、0.984mg/L、0.492mg/L時(shí)降解率隨時(shí)間的變化。由圖3可知：在30 min內(nèi)，·OH比值濃度1.66mg/L，苯酚濃度為0.492mol/L時(shí)，溶液中苯酚幾乎可以被完全降解，濃度為2.5 mol/L時(shí)其降解率為63%。由此可見，隨著苯酚的初始濃度的增加，降解率迅速降低；若延長反應(yīng)時(shí)間，苯酚的降解率可能會(huì)繼續(xù)提高，但反應(yīng)速率會(huì)下降。

2.3 ·OH比值濃度對(duì)處理效果的影響

試驗(yàn)中反應(yīng)容器內(nèi)的試驗(yàn)條件如下：苯酚濃度0.984mg/L，反應(yīng)體積500ml，處理溫度20℃，各反應(yīng)器中·OH比值濃度分別為0.50mg/L、0.83mg/L、1.66mg/L、2.48mg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)考察了·OH比值濃度C=0.50mg/L、0.83mg/L、1.66mg/L、2.48mg/L時(shí)降解率隨時(shí)間的變化。由圖4可知：在30 min內(nèi)，苯酚濃度0.984 mol/L，羥基比值濃度為0.50 mol/L時(shí)降解率為47%，·OH比值濃度為2.48 mol/L時(shí)溶液中苯酚幾乎可以被完全降解。由此可見，隨著·OH比值濃度的增加，降解率迅速提高；若延長反應(yīng)時(shí)間，苯酚的降解率可能會(huì)繼續(xù)提高，但反應(yīng)速率會(huì)下降。

2.4溫度對(duì)處理效果的影響

試驗(yàn)中反應(yīng)容器內(nèi)的試驗(yàn)條件如下：苯酚濃度0.984mg/L，？OH比值濃度1.66mg/L，反應(yīng)體積500ml，反應(yīng)溶液溫度分別為14.2℃、20℃、24.8℃、31.7℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)考察了不同溫度下降解率隨時(shí)間的變化。由圖5可知：在30 min內(nèi)，苯酚濃度0.984 mol/L，？OH比值濃度為1.66 mol/L時(shí)，反應(yīng)溫度為14.2℃時(shí)降解率為96%，反應(yīng)溫度為31.7℃時(shí)降解率為99%。由此可見，反應(yīng)溫度對(duì)降解率的影響很小，但升高反應(yīng)溫度也能提高降解率。

3 結(jié)論

采用強(qiáng)電離放電的方法產(chǎn)生高濃度的·OH等自由基溶液來處理飲用水中的苯酚具有非常好的處理效果，為今后·OH處理飲用水中苯酚的工業(yè)化應(yīng)用提供了依據(jù)。在·OH比值濃度2.54mg/L，溫度21.5℃，苯酚濃度0.984mg/L，苯酚溶液體積0.1t的條件下，15min內(nèi)·OH自由基可將苯酚幾乎全部降解。隨著苯酚初始濃度增加，其降解率減小隨著，·OH濃度、時(shí)間的增大，苯酚的降解率明顯增大。反應(yīng)溫度對(duì)降解率的影響很小，但升高反應(yīng)溫度也能提高降解率。

參考文獻(xiàn)：

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[4]Li Yang， Yi Chengwu， Li Jingjing， et al. Experimental Research on the Sterilization of Escherichia Coli and Bacillus Subtilis in Drinking Water by Dielectric Barrier Discharge. Plasma Science and Technology，2016，18 （2）： 173-178.

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作者簡介：

郭若軍（1976-），男，漢族 ，遼寧，副總經(jīng)理，黨員，高級(jí)工程師碩士，研究方向：主要從事環(huán)保能源生產(chǎn)管理和技術(shù)研究。

*項(xiàng)目：鎮(zhèn)江市重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目-強(qiáng)電離放電羥基自由基有機(jī)廢氣防治技術(shù)應(yīng)用研究，SH2017056