Fenton试剂降解苯酚及无机离子对Fenton反应的影响研究

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苯酚是酚类有机物中具有代表性的一种,在工业生产中十分常见,通常来自于制药厂、炼油厂、焦化厂和酚醛树脂厂等生产过程中的各种制造工艺。苯酚具有较高的毒性,对一切生物均具有毒害作用,因此苯酚废水的防治迫在眉睫、势在必行。苯酚的去除方法有很多种,包括物理法、化学法和生物法等。目前高级氧化技术中的Fenton工艺在水处理研究中受到诸多关注。Fenton试剂是通过H2O2和Fe2+反应,产生羟基自由基(·OH),它有很强的氧化降解能力,可以用来处理一般氧化剂难以氧化或生物难以降解的废水,甚至能使部分有机物达到完全矿化,因此利用Fenton试剂处理此类苯酚废水具有重要意义。  Fenton试剂降解苯酚的影响因素有H2O2的浓度、溶液初始pH值、CH2O2/CFe2+比值及反应时间。本文首先对Fenton试剂降解苯酚的反应条件进行了优化,结果表明,在CH2O2=3×10-3M,CH2O2∶CFe2+=10∶1,pH=3,t=30min的条件下,模拟废水中剩余苯酚的含量最低;其次对Fenton试剂矿化苯酚的反应条件进行了优化,结果表明,在CH2O2=20×10-3M,CH2O2∶CFe2+=40∶1,pH=3,t=180min的条件下,模拟废水中剩余TOC的含量最低。  在Fenton体系中,羟基自由基(·OH)的浓度受到废水中存在的背景杂质的影响,在大多数废水中,氯离子是非常常见的。一些工业废水,比如工业染料废水,含有高浓度的氯盐。研究高浓度的氯盐对Fenton试剂降解苯酚的影响具有重要的现实意义。结果表明,Cl-对Fenton试剂降解苯酚的反应有抑制作用,溶液当中Cl-的浓度越高抑制作用越强。这种现象的主要原因是Cl-与Fe2+、Fe3+、·OH发生一系列络合反应,影响了具有强氧化性的·OH的生成。这种氯盐对反应的抑制作用,可以通过适当提高溶液中Fe2+和H2O2的浓度来降低。研究表明,初始Fe2+浓度增大到4×10-4M时,就可以大幅度克服氯盐对反应带来的影响,继续增大Fe2+浓度对降解效果没有明显提升。当初始H2O2浓度增大到4×10-3M时,降解率的提高非常明显,甚至可以将苯酚完全降解。pH值过低(pH<3)对反应起到抑制作用。原因是溶液中H+浓度过高会抑制生成Fe2+的反应。存在高浓度氯盐的情况下,反应适宜的pH区间在pH=4-6,过高会引起Fe3+沉淀。Fenton氧化降解苯酚的反应是二级反应。  水体中可能共存的一些阳离子,尤其是一些过渡金属离子如Cu2+对Fenton反应也有一定影响。他们自身可能与H2O2发生类似Fe2+的Fenton反应,产生羟基自由基;也可能与Fenton以及类Fenton反应过程中产生的羟基自由基(·OH)发生反应,影响整个链反应过程及羟基自由基的产生效率。研究表明,Cu2+在Fenton降解苯酚的过程中表现出了显著的催化活性,它可以作为芬顿试剂降解苯酚的催化剂。增大初始Cu2+浓度可以逐步提高TOC的去除率,当初始Fe2+浓度为1×10-4M,初始Cu2+浓度为10×10-4M时,TOC去除率可以达到94%;而当初始Fe2+浓度为10×10-4M,初始Cu2+浓度为10×10-4M时,TOC去除率仅可以达到60%,表明过高的初始Fe2+浓度反而降低了反应效率。本文同时研究了固定初始Cu2+浓度和不加入Cu2+,改变初始Fe2+浓度的情况下TOC的去除率。结果表明,当加入Cu2+时,剩余TOC的量与初始Fe2+的浓度有较大关系:Cu2+对反应的影响取决于初始Fe2+的浓度,Fe2+的浓度过高反而会降低反应效率;当不加入Cu2+时,剩余TOC的量与初始Fe2+的浓度没有直接联系。Fenton试剂去除TOC的反应是二级反应。
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