活性炭負載三氧化二鐵催化降解酚類廢水*

白 瑞，劉汪源，白 雪，高雯雯，盧翠英，王偉濤，慕 苗

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000)

全球工業(yè)化的快速發(fā)展產(chǎn)生大量工業(yè)廢水，這種廢水的肆意排放，導(dǎo)致水資源利用面臨巨大的挑戰(zhàn)[1]。酚類廢水由于毒性大、難降解等特點被視為最難處理的工業(yè)有機廢水之一[2]。目前，酚類廢水的處理方法主要有物理法、生物法、化學(xué)法等[3-5]，其中化學(xué)法中的催化濕式過氧化氫法是一種高效、快速、徹底處理高濃度有機廢水的高級氧化技術(shù)[6-7]。研究表明，將金屬或金屬氧化物負載在活性炭上不僅可以降低催化劑的成本，還可以提高其催化性能，因此活性炭負載金屬、金屬氧化物在催化領(lǐng)域一直是研究的熱點[8-11]。

作者采用浸漬焙燒法制備負載型活性炭負載三氧化二鐵(AC@Fe2O3)催化劑催化降解含酚廢水，考察AC@Fe2O3催化劑在降解過程中受催化劑加入量、H2O2加入量、反應(yīng)溫度、初始pH值等因素的影響，確定最佳降解工藝條件，并初步探究催化降解機理，可為處理酚類污染物提供一定的理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

活性炭：平頂山綠林活性炭有限公司；鹽酸：廣州化學(xué)試劑廠；氧氧化鈉：天津市登豐化學(xué)品有限公司；硝酸鐵：天津永晟精細化工有限公司；以上試劑均為分析純。

去離子水：實驗室自制。

真空抽濾器：SHB-3，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；真空干燥箱：DZF，北京科偉永興儀表有限公司；管式爐：OTF-1200X-S，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；紫外分光光度計：UV-2450，日本島津公司。

1.2 制備方法

取適量活性炭依次浸泡在0.5 mol/L的NaOH和1 mol/L的HCl中24 h，抽濾、用去離子水反復(fù)洗滌至中性，于真空干燥箱中70 ℃烘干備用。將預(yù)處理后的活性炭浸漬在0.11 mol/L的Fe(NO3)3溶液中，浸漬溫度為30 ℃，浸漬時間為24 h，過濾，然后放在真空干燥箱中105 ℃烘干。再轉(zhuǎn)移至氮氣氣氛保護的管式爐中，于400 ℃煅燒4 h，即獲得AC@Fe2O3催化劑。

1.3 化學(xué)需氧量COD的測定

COD值是評價廢水處理效果的重要指標(biāo)[12]，實驗采用重鉻酸鉀法[13]測定，計算公式見式(1)。

(1)

式中：c為硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)液濃度，mol/L；V1為空白實驗消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)液的體積，mL；V2為樣品滴定消耗硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)液的體積，mL；V0為加入樣品體積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑ρ(AC@Fe2O3)對苯酚廢水降解的影響

催化劑ρ(AC@Fe2O3)對苯酚廢水降解的影響見圖1。

ρ(AC@Fe2O3)/(g·L-1)圖1 ρ(AC@Fe2O3)對苯酚廢水降解的影響

由圖1可知，不同催化劑加入量對苯酚廢水的降解有一定的影響。當(dāng)ρ(AC@Fe2O3)由20 g/L增大至40 g/L，COD與苯酚去除率一直在增大，但當(dāng)ρ(AC@Fe2O3)>40 g/L，隨著催化劑投放量的增大，去除率有所下降，原因為隨著催化劑投加量的增大，提供了更多的活性位點，H2O2容易附著在AC@Fe2O3催化劑表面，與活性組分Fe2O3相互作用產(chǎn)生了·OH活性自由基[14]，與廢水中的酚類發(fā)生催化氧化反應(yīng)，進而提高了催化降解效果；繼續(xù)增加催化劑投放量，去除率出現(xiàn)下降現(xiàn)象，可能是因為催化劑投放量繼續(xù)增加，催化劑對苯酚的吸附量達到飽和，不利于降解反應(yīng)發(fā)生，所以最佳ρ(AC@Fe2O3)=40 g/L。

2.2 φ(H2O2)對苯酚廢水降解的影響

φ(H2O2)對苯酚廢水降解的影響見圖2。

由圖2可知，φ(H2O2)對苯酚模擬廢水COD與苯酚去除率影響較大，當(dāng)φ(H2O2)≤60 mL/L，去除率隨催化劑加入量增加而上升。當(dāng)φ(H2O2)>60 mL/L，去除率有較大下降。原因為AC@Fe2O3催化劑降解苯酚過程主要為自由基氧化反應(yīng)。φ(H2O2)的增加導(dǎo)致更多的·OH 產(chǎn)生和更為有效的降解作用。但當(dāng)加入的φ(H2O2)增加到一定程度時，苯酚的降解效率隨φ(H2O2)的變化已不明顯。這是因為過量的H2O2會與·OH產(chǎn)生H2O和O2[15]，此外溶液中過量的H2O2也會與·OH反應(yīng)產(chǎn)生過氧化羥基自由基(HO2·)，HO2·的氧化性能則相對較弱，導(dǎo)致降解率下降，因此最佳φ(H2O2)=60 mL/L。

φ(H2O2)/(mL·L-1)圖2 φ(H2O2)對苯酚廢水降解的影響

2.3 體系pH值對苯酚廢水降解的影響

體系pH值對苯酚廢水降解的影響見圖3。

體系pH圖3 體系pH值對苯酚廢水降解的影響

體系pH值是高級氧化體系中影響氧化性能重要的因素之一。由圖3可知，在相同的實驗條件下，不同的pH值對COD與苯酚去除率有一定的影響。當(dāng)體系的初始pH≤3，去除率較低。隨著溶液pH值從酸性范圍逐漸增大至中性范圍時，苯酚降解的去除率呈下降趨勢，說明AC@Fe2O3催化劑在酸性條件下對苯酚降解最強。因此，最佳體系初值pH=3。

2.4 反應(yīng)溫度對苯酚廢水降解的影響

反應(yīng)溫度對苯酚廢水降解的影響見圖4。

由圖4可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，催化濕式過氧化氫處理苯酚模擬廢水COD與苯酚去除率也跟著緩慢上升，這可能是因為隨著溫度的升高，降低了苯酚溶液的黏度，加快了苯酚溶質(zhì)分子之間擴散，使得苯酚在AC@Fe2O3催化劑上吸附量增加，進而提高苯酚降解的去除率。

反應(yīng)溫度/℃圖4 反應(yīng)溫度對苯酚廢水降解的影響

3 結(jié) 論

當(dāng)催化劑ρ(AC@Fe2O3)=40 g/L，φ(H2O2)=60 mL/L，初始pH=3，反應(yīng)溫度為30 ℃，AC@Fe2O3催化劑催化降解苯酚的去除率達到最大值87%，COD的去除率最大值為73%。