Fenton 氧化技術處理電鍍廢水的研究

張存芳，王鵬程，呂斯濠，范洪波，蘭善紅，趙 新

(1.東莞理工學院 化學工程與能源技術學院，廣東 東莞 523808；2.中國電器科學研究院有限公司，廣東 廣州 510300；3.廣東華越環保科技有限公司，廣東 佛山 528308)

電鍍廢水中常見的重金屬有Cu、Cd、Ni、Pb、Ag、Zn等，這些重金屬離子在廢水中形態穩定、毒性大，如果電鍍廢水不加處理任意排放或者處理不當，不僅會危害環境和人體健康，還會造成貴金屬資源的浪費。因此去除污水中的重金屬已成為水資源保護的重要內容。

目前電鍍廢水的處理方法包括化學沉淀法、離子交換法、電解法等[1-2]。本文采用Fenton氧化法對電鍍廢水進行了處理，考察了H2O2投加量、[Fe2+] /[H2O2]物質的量比、初始pH值以及反應時間對廢水中重金屬離子去除率的影響規律，旨在為 Fenton 試劑法應用于工程實踐提供有力的技術支持。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

本實驗廢水取自廣州某有限公司，其水質主要指標：pH值為9.0，COD為2750 mg/L，Cu2+為1100 mg/L，Ni2+為620 mg/L。七水合硫酸亞鐵、雙氧水、氫氧化鈉、硫化鈉、硫酸、聚丙烯酰胺(PAM)，均為分析純。

1.2 實驗方法

取250 mL試驗廢水于燒杯中，稀硫酸調節廢水的初始pH值，加入適量的H2O2和FeSO4·7H2O，置于恒溫磁力加熱攪拌器上，在設定25 ℃和轉速300 r/min下攪拌反應一段時間后，用NaOH調節pH值為9，再在緩慢攪拌狀態下加入0.5 mL助凝劑PAM(0.2%)， 10 min后靜止沉淀，采用原子吸收分光光度法測其上清液中銅、鎳離子的含量。

2 結果與討論

2.1 H2O2濃度對重金屬離子去除效果的影響

取250 mL廢水，調節pH值為3，固定Fe2+/H2O2=1∶4(物質的量比)，分別調節H2O2的含量為0.01、0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 mol/L，攪拌反應60 min，其它工藝條件如1.2所述不變的情況下考察H2O2對Cu2+和Ni2+的去除效果，其結果如圖1所示。

圖1 H2O2濃度對Cu2+、Ni2+去除率的影響

從圖1可以看出，隨著 H2O2濃度的增加，Cu2+、Ni2+的去除率均先快速增加后緩慢減小的趨勢。當H2O2濃度從 0.01 mol/L 增加到0.06 mol/L，銅、鎳離子的去除率分別從82.58%和83.54%增加到94.67% 和95.51%。當H2O2濃度為0.06 mol/L 時，Ni2+去除率達到最大值，Cu2+去除率也基本達到最大值，此時測得廢水中銅、鎳離子含量分別為58.63 mg/L和27.84 mg/L。隨著H2O2濃度的繼續增加，Cu2+和Ni2+去除率逐漸下降。

由上述分析可以認為，在Fe2+/H2O2一定的情況下，H2O2濃度存在一個最佳值，高于或低于這個最佳值，Fenton試劑對于含有絡合-重金屬離子的廢水處理效果都會下降。本實驗H2O2取0.06 mol/L為最佳濃度。

究其原因可能是：隨著H2O2濃度的增大，羥基自由基的濃度也快速提高，致使大量的有機絡合物被快速氧化降解，因此Cu2+和Ni2+去除率隨H2O2濃度的增加而增加[3]；而H2O2過量時，體系內會發生自由基間的消解反應[4]，導致體系內的羥基自由基濃度及其氧化能力下降，因而Cu2+和Ni2+的去除率開始降低。

2.2 [Fe2+]/[ H2O2]對重金屬離子去除效果的影響

在Fenton法中，Fe2+與H2O2是反應的主要物質，對廢水處理起著重要的作用，故對Fe2+和 H2O2的物質的量比進行研究。取250 mL廢水，調節pH值為3，保持H2O2濃度為0.06 mol/L，改變Fe2+/H2O2的物質的量比，其它條件如1.2所述不變的情況下考察Fe2+/H2O2對Cu2+和Ni2+的去除效果，結果如圖2所示。

圖2 Fe2+/H2O2對Cu2+、Ni2+去除率的影響

從圖2可以看出，隨著Fe2+/H2O2物質的量比值的增加，Cu2+、Ni2+的去除率均呈現增加后減小的趨勢。當Fe2+/H2O2為1∶3時，Ni2+的去除率最大，而Cu2+的去除率在Fe2+/H2O2為1∶2時才達到最大值，但Fe2+/H2O2物質的量比從1∶3增加到1∶2時，Cu2+的去除率從95.94%增加到96.11%，僅僅增加了0.17個百分點，增加幅度較小，而Fe2+的投加量確要增加50%。故從處理成本和效果兩方面綜合考慮，其最佳的[Fe2+]/[H2O2] 物質的量比為1∶3。

2.3 初始pH值對重金屬離子去除效果的影響

取 250 mL廢水，分別將pH值調節為 2、3、4、5和6，H2O2為0.06 mol/L，[Fe2+]/[H2O2]為1∶3，其它條件如1.2所述不變的情況下考察不同初始pH值對Cu2+和Ni2+去除效果，結果如圖3所示。

從圖3可知，初始pH值對Cu2+和Ni2+的去除率影響較大，兩種金屬離子的去除率隨著 pH值的增加均呈現先升高后快速下降的趨勢，當pH值為3時，Cu2+和Ni2+的去除率均達到最大值，這說明pH值為3時Fenton試劑氧化破壞絡合物與重金屬離子之間的絡合結構的效果最好。

圖3 初始pH值對Cu2+、Ni2+去除率的影響

分析原因可能是：當pH值過低(pH值<3)時，溶液中的H+濃度過高，Fe2+被H2O2氧化成的Fe3+就不能順利被還原為Fe2+，使Fenton試劑的催化反應受阻，抑制了·OH自由基快速和大量的生成，另外溶液中大量的H+會消耗，也不利于·OH的生成，從而導致Cu2+和Ni2+去除率較低；但當pH值過高時，在中性或堿性條件下，大量的OH-會與Fe2+生成沉淀，消弱了Fe2+催化H2O2產生·OH的能力，并抑制了羥基自由基的產生，同時在高pH環境下，羥基自由基間會發生分解反應而降低其濃度，從而降低Fenton 試劑的氧化破絡能力，致使Cu2+和Ni2+去除率隨pH值的過高而快速不斷下降[5]。

2.4 反應時間對重金屬離子去除效果的影響

取250 mL廢水，調節pH值為3，Fe2+/H2O2為1∶3，H2O2為0.06 mol/L，攪拌時間分別為10、20、40、60、90、120 min，其它條件如1.2所述不變的情況下考察反應時間對Cu2+和Ni2+去除效果，實驗結果如圖4所示。

圖4 反應時間對Cu2+、Ni2+的去除率的影響

從圖4可以看出，隨著反應時間的增加，Cu2+和Ni2+去除率呈現先快速增加到最大值后基本保持穩定的趨勢。在反應初期，Fenton反應的速度非常快，表現為COD去除率在前40 min內隨反應時間的增加而快速提高，這是由于在反應初期產生的氫氧自由基較多，氧化能力因而也較強；當反應時間為60 min 時，Cu2+和Ni2+去除率基本達到最大值，處理的廢水中Cu2+和Ni2+的含量分別為44.88 mg/L和17.67 mg/L，去除率分別為95.92%和97.15%，繼續延長反應時間，Cu2+和Ni2+去除率變化不明顯，這說明Fenton 反應在前 60 min反應基本完成，過多的延長反應時間已沒有意義，故選擇60 min為Fenton試劑的最佳反應時間。

3 結論

(1) Fenton 試劑雙氧水和亞鐵離子濃度，以及溶液初始pH值和反應時間對處理廢水的效果影響很大。H2O2濃度、廢水初始pH值、以及Fe2+和 H2O2的物質的量比均存在一個最佳值，高于或低于這些最佳值，都會導致處理廢水的效果下降。

(2) 確定Fenton 氧化處理本實驗廢水的最佳條件為：初始pH值為3、H2O2濃度0.06mol/L、[Fe2+]∶[H2O2] =1∶3、反應時間 60 min。在此條件下Cu2+和Ni2+去除率分別為95.92%和97.15%。