載鐵海泡石非均相Fenton法處理含酚廢水的研究*

顏酉斌，劉軍華

(安徽工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

含酚廢水是一種典型的難降解有機廢水。處理酚類廢水的方法很多，但很多不能達(dá)到理想效果[1]。非均相Fenton技術(shù)克服了均相Fenton技術(shù)的不足，在難降解有機物的處理方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性，適用于難降解廢水的處理[2-3]。海泡石是一種含水硅酸鎂粘土。它的纖維結(jié)構(gòu)有兩層硅氧四面體片，它們被中心為鎂氧原子八面體片相連接。這一特點決定了海泡石中與纖維延長方向一致的通道的存在。海泡石的理論比表面積可達(dá)900 m2/g，大大高于其他粘土類礦物，具有極強的吸附脫色性能。海泡石本身具有一定的催化作用，可以和催化劑產(chǎn)生協(xié)同催化作用，提高催化效果[4]。本研究以海泡石為載體，制備非均相催化劑，對非均相Fenton技術(shù)處理含酚廢水進(jìn)行了研究，以期為含酚廢水的達(dá)標(biāo)排放尋找一條新的有效途徑[5]。

1 實 驗

1.1 材料、試劑和儀器

試驗材料：30% H2O2、苯酚、4-氨基安替比林、鐵氰化鉀、氫氧化鈉、三氯化鐵、氨水、鹽酸、氯化銨；海泡石。

試驗儀器：可見光分光光度計、電子天平、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、全溫振蕩培養(yǎng)箱、循環(huán)水式真空泵、數(shù)顯pH計。

1.2 試驗方法

1.2.1 非均相Fenton催化劑的制備方法

載鐵海泡石具體制備過程見圖1。

圖1 載鐵海泡石工藝流程圖

取一定量海泡石，用蒸餾水洗凈，在烘箱中90 ℃烘干。再置于燒杯中，加入1:1鹽酸溶液浸泡，12 h后放入烘箱中烘干。取出冷卻后，再加入FeCl3溶液浸泡，攪拌3 h，放入烘箱中烘干。

1.2.2 非均相Fenton法處理苯酚溶液

根據(jù)試驗要求，調(diào)節(jié)水樣pH值后，量取100 mL并且投加適量非均相Fenton催化劑密封，然后加入一定量的30%的過氧化氫。設(shè)置好反應(yīng)溫度后啟動搖床，將其轉(zhuǎn)速設(shè)置為100 r/min。60 min后反應(yīng)終止，過濾。用4-氨基安替比林分光光度法測定苯酚的含量。各單因素試驗條件為苯酚廢水初始濃度為 500 mg/L，反應(yīng)溫度25 ℃，pH值為3， Fe3+的濃度為30 g/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3+與H2O2的摩爾比對苯酚廢水處理效果的影響

改變模擬廢水的摩爾比，即[Fe3+]:[H2O2]值為1:1、 1:2、1:4、1:6、1:8、1:10時，摩爾比對非均相Fenton 氧化法降解水中苯酚的影響見圖2。

圖2 摩爾比對苯酚去除率的影響

由圖2可見，隨著摩爾比的增加，苯酚降解率逐漸增大，摩爾比在1:4時，降解率增加的趨勢減緩。 Fenton法的關(guān)鍵步驟是產(chǎn)生強氧化劑羥基自由基(·OH)，H2O2是Fenton體系中產(chǎn)生·OH的主體，H2O2的增加會產(chǎn)生更多的·OH，但達(dá)到一定數(shù)值后過量的H2O2與體系中的·OH自由基發(fā)生下列反應(yīng)：

H2O2+·OH→HO2·+H2O

HO2·+·OH→O2+H2O

反應(yīng)消耗了體系中·OH自由基，減少了與苯酚反應(yīng)的·OH自由基的量，而且苯酚不斷降解成小分子有機物，小分子有機物也會阻礙或吸收·OH自由基，降低了苯酚的降解效率。因此，合適的H2O2投加量在非均相Fenton體系中較為重要。在其他條件不變的前提下，采用最佳摩爾比為1:10。

2.2 pH對苯酚廢水處理效果的影響

摩爾比為1:10，改變廢水的pH值為2、3、4、5、6、 7 ℃，pH值對非均相Fenton法降解苯酚的影響趨勢見圖3。

圖3 pH值對苯酚去除率的影響

由圖3可知，隨著pH的增加，去除率先增加，在pH為6時去除率最高，然后緩慢下降。在不同的pH條件下，苯酚去除率波動不是很大，改變?nèi)芤旱膒H值對苯酚的去除率略有影響。而傳統(tǒng)的均相Fenton體系中，pH值為2～4時最為適宜，當(dāng)體系中pH值>6時，體系中的活性組分鐵會發(fā)生沉淀，導(dǎo)致均相Fenton反應(yīng)不能正常進(jìn)行，對廢水中有機物的降解影響很大。在均相芬頓法中，需要先將體系中的pH值調(diào)為酸性。本試驗中，pH值對非均相Fenton反應(yīng)影響不是特別大。該方法拓寬了均相芬頓體系的pH值范圍，解決了常規(guī)Fenton反應(yīng)低pH值要求的問題，降低了Fenton反應(yīng)的成本。為實際廢水處理時減少調(diào)酸費用提供了可參考的數(shù)據(jù)。

2.3 苯酚溶液初始濃度對苯酚廢水處理效果的影響

苯酚廢水反應(yīng)摩爾比為1:10，pH為6。設(shè)置模擬廢水的初始濃度為0.5、1、1.5、2、2.5、3 g/L，初始濃度對非均相Fenton 氧化法降解水中苯酚實驗的影響如圖4所示。

圖4 初始濃度對苯酚去除率的影響性能的影響

從圖4中可以看出，在非均相Fenton反應(yīng)中，苯酚溶液的初始濃度對反應(yīng)有著一定的影響。在各方條件都相同時，溶液濃度越高，溶液的去除效率越低。

2.4 溫度對苯酚廢水處理效果的影響

實驗條件為：pH值為6，反應(yīng)摩爾比為1:10。改變反應(yīng)溫度為12.5、25、37.5、50、62.5、75 ℃，溫度對非均相Fenton法降解苯酚的影響如圖5所示。

圖5 溫度對苯酚去除率的影響

由圖5可見，當(dāng)溫度較低時，隨著溫度的增加，苯酚的降解率增大。當(dāng)溫度增加到50 ℃時，苯酚降解率達(dá)到最大值，隨著溫度增加苯酚的降解率略微有些下降。這是因為對Fenton體系而言，適當(dāng)?shù)臏囟燃せ盍俗杂苫^高就會出現(xiàn)H2O2分解為O2和H2O的情況。

2.5 用正交試驗對各影響因素優(yōu)化選擇

為研究各因素不同水平對非均相Fenton法處理苯酚廢水結(jié)果的影響，設(shè)置了四因素三水平正交試驗。按照正交表進(jìn)行試驗，結(jié)果見表1。

表1 正交試驗表結(jié)果分析

通過正交試驗我們可得：

(1)由極差計算A(4.64%)>C(1.81%)>D(1.09%)>B(1.02%)可知，在影響苯酚去除率的四個因素中，摩爾比是主要影響因素，pH值次之，初始濃度和溫度分別位于第三和第四位。

(2)根據(jù)方差分析可知，最佳反應(yīng)條件出現(xiàn)在A3B3C2D1，就本實驗所選擇的實驗條件而言，處理效果最佳條件為：摩爾比1:10，反應(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)pH值5，反應(yīng)初始濃度0.5 g/L。

3 結(jié) 論

通過浸漬法制備出了載鐵海泡石催化劑，將其用于非均相Fenton反應(yīng)，處理苯酚模廢水。研究了載鐵海泡石非均相Fenton體系的性能，得到以下結(jié)論：該體系對苯酚具有非常好的降解效果，隨著摩爾比的增加，苯酚降解率增大。同時，該方法拓寬了均相芬頓法的pH值范圍，解決了Fenton反應(yīng)低pH值要求的問題，降低了Fenton反應(yīng)的成本。隨著溫度的增加，苯酚的降解率增大。對于正交試驗，試驗條件為：pH值為5，摩爾比為1:10，溫度為50 ℃，反應(yīng)初始濃度為0.5 g/L時，苯酚降解率可達(dá)到91.68%。