Fenton氧化技術處理含苯和苯乙烯廢水的研究

閆 碩，彭舉威，巴 琦

（吉林建筑大學，長春 130118）

近年來，苯和苯乙烯的用量不斷上升，其作為重要的生產(chǎn)原料，大量應用于化工行業(yè)。很多化工廠產(chǎn)生的廢水含有大量的苯和苯乙烯，造成嚴重污染。如不能將廢水中的苯和苯乙烯有效去除，將對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康構成威脅。

1 處理工藝的選擇

目前，苯和苯乙烯的處理方法主要有化學法、物理法、生物法和協(xié)同處理法。物理法主要有吸附和膜分離等方法，不能深度降解廢水中的污染物；生物法包括活性污泥法和生物膜法，雖然可以去除廢水中的一些有機物，但反應周期長。因此，傳統(tǒng)的工藝不能有效、經(jīng)濟地去除化工廢水中有毒有害的有機物。高級氧化工藝（Advanced Oxidation Process，簡稱AOPs）是處理有毒污染物的技術，能夠無選擇性地氧化有機物，所以大多數(shù)AOPs 工藝可用于降解廢水中有毒有害的物質。

Fenton 氧化技術作為高級氧化工藝的一種，利用Fe和H0之間的鏈反應催化生成羥基自由基（·OH），·OH 屬于強氧化性物質，能氧化各種有毒和難降解的有機化合物，可有效地去除污染物，適用于處理難生物降解的有機廢水。Fenton 氧化技術不產(chǎn)生二次污染，反應迅速，不僅能夠對化工廢水進行預處理，還能夠深度處理化工廢水。本文主要通過對比H0的投加量、鐵鹽的投加量、pH 以及反應時間對處理效果的影響，確定Fenton 氧化反應最適宜的條件。

2 試驗部分

2.1 試驗藥品及儀器

試驗藥品有苯和苯乙烯溶液、七水合硫酸亞鐵（FeSO·7HO）、雙氧水（30%）、硫酸和氫氧化鈉溶液。試驗儀器有磁力攪拌器、安捷倫7820A、TOC 測定儀。

2.2 試驗過程

取適量的苯和苯乙烯置于1 L 燒杯中，然后加入去離子水，攪拌、密閉，得到含苯和苯乙烯的廢水。利用硫酸將廢水pH 調(diào)至試驗所需，加入FeSO·7HO，用磁力攪拌器進行攪拌，待FeSO·7HO 全部溶解之后加入適量的雙氧水。反應一定時間后，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH 為7 ～8，靜置1 h，取上層清液，對氧化后的廢水進行測定分析。

3 試驗結果與影響因素分析

芬頓能夠有效去除水中難降解的有毒有害物質，但反應過程受HO用量、Fe投加量、pH 以及反應時間的影響。模擬廢水中，苯的含量為480 mg/L，苯乙烯的含量為480 mg/L，TOC 為1 130 mg/L。

3.1 Fe2+投加量對處理效果的影響

Fe作為催化劑存在于反應的過程中，催化HO產(chǎn)生·OH，因此Fe的濃度對反應具有重要的影響。調(diào)節(jié)模擬廢水的pH=3，加入HO2 mL，反應時間3 h。設定（Fe）∶（HO）為1∶5、1∶6、1∶7、1 ∶8、1 ∶9、1 ∶10、1 ∶11 和1 ∶12，測定不同F(xiàn)e投加量下氧化出水中苯、苯乙烯和TOC的含量，對比處理效果，如圖1 所示。

圖1 n（Fe2+）∶n（H2O2）對處理效果的影響

由圖1 可見，隨著Fe濃度的逐漸下降，苯、苯乙烯和TOC 的去除率基本維持穩(wěn)定，苯和苯乙烯的去除率均在90%以上，TOC 的去除率在85%以上。但（Fe）∶（HO）下降到1 ∶9 后，苯、苯乙烯以及TOC 的處理效率開始明顯下降。在Fe濃度高時，H0產(chǎn)生的·OH 多，能夠氧化水中的污染物，所以苯、苯乙烯和TOC 的去除率高。當Fe濃度過低時，F(xiàn)e不能有效地保證催化反應的進行，此時產(chǎn)生的·OH 過低，導致處理效果下降。過低的Fe濃度導致處理效果不佳，而較高的Fe濃度會增加處理廢水的成本。因此，對于含苯400 mg/L、苯乙烯400 mg/L 的廢水，最適宜的（Fe）∶（HO）=1 ∶9。

3.2 H2O2 投加量對處理效果的影響

HO在反應的過程中作為氧化劑存在，產(chǎn)生·OH，氧化廢水中的有機物。因此，HO投加量對于反應至關重要?？刂颇M廢水的pH=3，（Fe）∶（HO）=1 ∶9，反應時間為3 h。分別在加入HO為1 mL、2 mL、3 mL 和4 mL 的情況下測定廢水中苯、苯乙烯和TOC 的含量，對比處理效果，如圖2 所示。

圖2 H2O2 投加量對處理效果的影響

由圖2 可見，隨著HO的投加量不斷增加，處理效率不斷增加。當HO投加量為2 mL 時，苯、苯乙烯和TOC 的處理效率均達到最大；當HO投加量超過3 mL 時，苯、苯乙烯和TOC 的處理效率均明顯下降。隨著HO的投加量增加，產(chǎn)生的·OH 自由基增加，但是當HO的投加量增加到一定程度后，HO就會進行無效分解產(chǎn)生O，產(chǎn)生·OH 的量減少，處理效率下降。過量的HO會將Fe氧化成Fe，降低了催化劑的量，處理效率下降。因此，對于含苯400 mg/L、苯乙烯400 mg/L 的廢水，最適宜的HO投加量為2 mL。

3.3 不同pH 對處理效果的影響

芬頓反應適合在酸性條件下發(fā)生，中性或者堿性環(huán)境均不利于反應的進行，因此，要確定最適宜的反應pH。為研究不同pH 對處理效果的影響，控制模擬廢水的（Fe）∶（HO）=1 ∶9，HO投加量為2 mL，反應時間為3 h。在pH 為2、3、4 和5 的情況下，測定廢水中苯、苯乙烯和TOC 的量，對比處理效果，如圖3 所示。

圖3 不同pH 對處理效果的影響

由圖3 可見，隨著H的濃度不斷增加，苯、苯乙烯和TOC 的去除效率呈先增加后下降的趨勢，在pH 為3 時，苯、苯乙烯和TOC 的處理效率達到最大。pH 大于3 時，苯、苯乙烯和TOC 的處理效率均明顯下降。Fenton 試劑是在酸性條件下反應的，在中性和堿性環(huán)境中，F(xiàn)e不能催化氧化HO產(chǎn)生·OH，并且產(chǎn)生Fe（OH）沉淀。因此，過低的H濃度不能有效處理廢水。當溶液中H濃度過高時，F(xiàn)e不能順利被還原為Fe，催化反應受阻。所以，對于含苯400 mg/L、苯乙烯400 mg/L 的廢水，最適宜的pH 為3。3.4 不同反應時間對廢水處理效果的影響

為研究不同反應時間對處理效果的影響，控制模擬廢水的pH=3，（Fe）∶（HO）=1 ∶9，HO投加量為2 mL。在反應時間為1 h、2 h、3 h 和4 h 的情況下，測定廢水中苯、苯乙烯和TOC 的含量，對比處理效果，如圖4 所示。

圖4 反應時間對廢水處理效果的影響

由圖4 可見，苯、苯乙烯和TOC 的處理效率隨著時間的增加不斷上升，在反應2 h 后，處理效率趨于穩(wěn)定，此時處理效率達到最大值。

試驗發(fā)現(xiàn)，對于Fenton 氧化反應，在適宜的環(huán)境下，苯的去效率大于苯乙烯。陳笑笑等人證明，當·OH 作用于穩(wěn)定性較強的苯環(huán)時，與氫原子抽提途徑相比，·OH 的加成反應具有更低的能量。因此，筆者認為，苯的反應速率大于苯乙烯是由于·OH作用于苯時只需要破壞苯環(huán)，但是對于苯乙烯，既要破壞苯環(huán)，還要破壞乙烯雙鍵，所以處理效果 較差。

4 結論

試驗研究表明，對于含苯400 mg/L、苯乙烯400 mg/L 的廢水，在HO投加量2 mL、（Fe）∶（HO）= 1 ∶9 且反應時間2 h 的情況下，處理效果最好。其中，苯和苯乙烯的去除效率均能超過90%，TOC 的去除率能超過85%。Fenton 氧化技術能夠有效氧化廢水中的苯和苯乙烯，氧化后的廢水經(jīng)傳統(tǒng)的生物處理工藝進一步處理，可大大提高廢水處理效果。