Fenton試劑在微波條件下處理稻殼熱解發(fā)電含酚廢水的試驗

朱凌峰,羅 琳,蔣宏國,劉 艷,魏建宏

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖南長沙 410128)

Fenton試劑在微波條件下處理稻殼熱解發(fā)電含酚廢水的試驗

朱凌峰,羅 琳,蔣宏國,劉 艷,魏建宏

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖南長沙 410128)

采取試驗手段,研究在微波條件下用Fenton試劑處理含酚廢水的效果,探討H2O2質(zhì)量濃度、FeSO4質(zhì)量濃度、pH值、反應(yīng)時間和微波功率等因素對稻殼熱解發(fā)電廢水中COD、揮發(fā)酚及色度去除率的影響,并進行不同條件下Fenton反應(yīng)的對比試驗。結(jié)果表明,在微波條件下,Fenton試劑能快速降解含酚廢水,處理后水樣的COD去除率超過73%,揮發(fā)酚去除率超過99%,色度去除率接近50%。該含酚廢水的最佳處理條件是:H2O2質(zhì)量濃度為1500mg/L,FeSO4質(zhì)量濃度為100mg/L,pH值為3,反應(yīng)時間為10min,微波功率為400W。

稻殼熱解發(fā)電廢水;含酚廢水;廢水處理;COD;揮發(fā)酚;色度

稻殼熱解發(fā)電廢水是一種含酚廢水,它除了含有主要成分酚外,還含有氨、氰、萘、吡啶等無機、有機污染物,是一種有毒的、難降解的廢水。酚的蒸汽會刺激呼吸系統(tǒng)和眼睛;接觸到皮膚會造成皮膚軟化和變白,進而引起疼痛的灼傷。酚若由口吞食會引起食道灼傷、腹痛、嘔吐和胃腸損傷,若經(jīng)皮膚迅速吸收會導(dǎo)致頭痛、昏睡、呼吸困難和急促。酚的慢性中毒效應(yīng)則會引起消化障礙、精神失常、皮膚出疹、肝和腎臟受損等癥狀;皮膚若長久與酚溶液接觸,會引起皮膚炎[1]。含酚廢水不僅給人類健康帶來嚴(yán)重威脅,也對動植物產(chǎn)生危害。水中酚質(zhì)量濃度大于10 mg/L時,魚類等水生生物不能生存。酚質(zhì)量濃度大于100mg/L的水若用于灌溉,必將導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[2]。

1894年,法國科學(xué)家Fenton發(fā)現(xiàn)在酸性條件下H2O2在Fe2+的催化作用下可有效地將酒石酸氧化[3],并應(yīng)用于蘋果酸的氧化,后人將H2O2和Fe2+配制的試劑命名為Fenton試劑。其主要原理是利用Fe2+作為H2O2的催化劑,反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基(hydroxyl radical,?OH)。反應(yīng)式為:

羥基自由基氧化能力很強,可氧化大部分有機物[4]。1964年Eisenhouser首次使用Fenton試劑處理苯酚及烷基苯廢水,開創(chuàng)了Fenton試劑在環(huán)境污染物處理中應(yīng)用的先例[5]。

微波是指波長為0.001～1 m、頻率為300～300000MHz的一種電磁波,微波具有很強的穿透作用,能直接加熱反應(yīng)物分子,改變體系的熱力學(xué)函數(shù),降低反應(yīng)的活化能和分子的化學(xué)鍵強度,大幅度提高反應(yīng)活性[6]。如果將微波加入到Fenton反應(yīng)中將促進反應(yīng)的進行。目前關(guān)于稻殼熱解發(fā)電廢水的處理研究還未見報道,筆者采用Fenton試劑與微波結(jié)合處理稻殼熱解發(fā)電廢水,取得了良好的效果。

1 試驗部分

1.1 試驗水樣及來源

試驗污水水樣取自湖南省寧鄉(xiāng)縣亮之星米業(yè)公司下屬的發(fā)電站,其水質(zhì)指標(biāo)如下:ρ(COD)=1200mg?L-1,ρ(TP)=0.1 mg/L,ρ(NH3-N)=120mg/L,揮發(fā)酚質(zhì)量濃度為 150 mg/L,色度為100倍,pH值為7.8。

1.2 試劑與儀器

試劑:硫酸銅、磷酸、甲基橙、苯酚、溴酸鉀、溴化鉀、碘酸鉀、硫代硫酸鈉、淀粉、4-氨基安替比林、鐵氰化鉀、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵、鄰菲羅啉、硫酸亞鐵銨。以上試劑均為分析純,測揮發(fā)酚的試驗用水為無酚水,其余試驗用水均為蒸餾水。

儀器:WC-1型微波消解COD快速測定儀、JA1003N型電子天平、pHS-3C型pH計、DHG-9246A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、721型分光光度計、DK-S24型電熱恒溫水浴鍋。

1.3 試驗步驟及分析方法

1.3.1 微波條件下Fenton反應(yīng)試驗

取250mL廢水水樣于300mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)到適宜的pH值,然后加入一定量的Fenton試劑,置于微波條件下反應(yīng)一段時間。待反應(yīng)結(jié)束后將水樣過濾,從中取適量水樣分別測定COD、揮發(fā)酚及色度。

1.3.2 不同條件下Fenton反應(yīng)對比試驗

取250mL廢水水樣于300mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)到適宜的pH值,然后加入適量的(或不加)Fenton試劑,置于水浴或微波條件下反應(yīng)一段時間。待反應(yīng)結(jié)束后將水樣過濾,從中取適量的水樣分別測定COD、揮發(fā)酚及色度。

1.3.3 試驗方法

COD采用重鉻酸鉀法測定,揮發(fā)酚采用4-氨基安替比林法測定,色度采用稀釋倍數(shù)法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波條件下Fenton反應(yīng)試驗

2.1.1 H2O2濃度對去除率的影響

取250mL廢水水樣于300mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)pH值為3,加入FeSO4?7H2O,使其質(zhì)量濃度為100mg/L,加入不同量的H2O2,在400W微波條件下反應(yīng)10min。然后測定COD、揮發(fā)酚及色度。結(jié)果見圖1。

圖1 H2O2質(zhì)量濃度對去除率的影響

由圖1可知,COD、揮發(fā)酚和色度的去除率一開始均隨H2O2的增加而增加,并在H2O2質(zhì)量濃度為1 500mg/L時達到最大值,此時COD、揮發(fā)酚及色度的去除率分別為73.70%、99.94%、49.20%;此后三者的去除率都隨H2O2質(zhì)量濃度的增加而下降。這是由于當(dāng)H2O2質(zhì)量濃度低時,由H2O2催化生成的羥基自由基量很小,使Fenton反應(yīng)沒有發(fā)揮出效應(yīng),所以相關(guān)指標(biāo)的去除率都不高。隨著H2O2質(zhì)量濃度的增加,當(dāng)H2O2過量時,過量的H2O2會與生成的羥基自由基發(fā)生反應(yīng)而使Fenton試劑失去有效活性,從而使相關(guān)指標(biāo)的去除率都有下降。色度的去除率總體不高,最高的也沒有超過 50%,可能是Fenton試劑和水中的有色有機物較難發(fā)生反應(yīng),而且加入的Fe2+也會使水溶液的色度增加,所以色度的去除率就不高。揮發(fā)酚的去除率要高于COD,一方面是酚經(jīng)Fenton反應(yīng)降解后生成一些羧酸類物質(zhì),這些物質(zhì)不易降解而又形成了新的COD,使COD的去除率不如揮發(fā)酚;另一方面可能是COD中存在部分難以降解的物質(zhì)。

2.1.2 FeSO4濃度對去除率的影響

取250mL廢水水樣于300mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)pH值為3。同樣的幾瓶水樣中分別加入不同量的FeSO4,再加入H2O2,使H2O2質(zhì)量濃度為1500mg/L,在400W的微波條件下反應(yīng)10min。然后測定COD、揮發(fā)酚及色度。結(jié)果見圖2。

圖2 FeSO4質(zhì)量濃度對去除率的影響

由圖2可知,COD、揮發(fā)酚和色度的去除率剛開始時都隨FeSO4質(zhì)量濃度的增加而增加,并在FeSO4質(zhì)量濃度為 100 mg/L時達到最大值,分別為73.07%、99.90%、49.40%;此后三者的去除率都隨FeSO4質(zhì)量濃度的增加而下降。這是由于FeSO4中的Fe2+是催化H2O2生成羥基自由基的催化劑,當(dāng)FeSO4質(zhì)量濃度低時,Fe2+不足,不能有效地催化H2O2生成羥基自由基,使Fenton反應(yīng)不能有效地進行,所以相關(guān)指標(biāo)的去除率都不高。當(dāng)FeSO4濃度適宜時,Fe2+能有效地催化H2O2生成羥基自由基,生成的羥基自由基氧化能力很強,能有效地降解相關(guān)有機物,表現(xiàn)為去除率較高。當(dāng)FeSO4濃度過高時,過多的Fe2+會催化剛生成的但還未來得及與有機污染物發(fā)生反應(yīng)的羥基自由基,這些羥基自由基自身相互反應(yīng)生成水而失去活性,從而使相關(guān)指標(biāo)的去除率下降。同時過多的Fe2+會使水的色度上升,導(dǎo)致色度的去除率下降。

2.1.3 pH值對去除率的影響

取250mL廢水水樣于300mL錐形瓶中。同量的幾瓶水樣調(diào)節(jié)為不同的pH值,各自加入FeSO4,使FeSO4質(zhì)量濃度為100mg/L,再加入H2O2,使H2O2質(zhì)量濃度為1 500mg/L,在400W的微波條件下反應(yīng)10min。然后測定COD、揮發(fā)酚及色度。結(jié)果見圖3。

圖3 pH值對去除率的影響

由圖3可知,COD、揮發(fā)酚和色度的去除率一開始都隨pH值的增大而增大,當(dāng)pH值達到3時,三者去除率都達到最大值,分別為74.90%、99.94%、48.90%;此后三者的去除率都隨著pH值的增加呈現(xiàn)下降的趨勢;在pH值大于7以后,三者的去除率都有較明顯的下降。這是由于當(dāng)pH值在1～5的酸性范圍內(nèi)時,Fe離子主要是以Fe2+的形式存在于水溶液中,Fe2+能有效地催化H2O2生成羥基自由基,使Fenton反應(yīng)能順利地進行,所以此時相關(guān)指標(biāo)的去除率都較高。當(dāng)pH值達到7以上時,水環(huán)境處于偏堿性,Fe離子容易生成Fe(OH)3沉淀而脫離水溶液,從而失去催化H2O2生成羥基自由基的能力,阻礙了Fenton反應(yīng)的進行,使相關(guān)指標(biāo)的去除率都有較明顯的下降。同時隨著pH值的增加,水中的Fe離子也由淡黃色變成紅棕色,使溶液的色度增加,進一步造成色度去除率下降。

2.1.4 反應(yīng)時間對去除率的影響

取250mL廢水水樣于300mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)pH值為3,加入FeSO4,使FeSO4質(zhì)量濃度為100mg/L,加入H2O2,使H2O2質(zhì)量濃度為1500mg/L。同樣的幾份水樣在400W的微波條件下分別反應(yīng)不同的時間,然后測定各水樣的COD、揮發(fā)酚及色度。結(jié)果見圖4。

圖4 反應(yīng)時間對去除率的影響

由圖4可知,COD、揮發(fā)酚和色度的去除率在剛開始時都隨反應(yīng)時間的增加而增大,當(dāng)反應(yīng)時間達到10 min時三者的去除率分別達到72.49%、99.81%、48.00%;此后隨著反應(yīng)時間的增加,三者去除率的增加都呈減緩的趨勢。這是由于反應(yīng)最初的10min內(nèi),剛生成的羥基自由基與水中的有機污染物迅速發(fā)生反應(yīng),所以相關(guān)指標(biāo)的去除率都有明顯的增加。反應(yīng)10min以后由于大部分有機污染物都被降解了,所以相關(guān)指標(biāo)的去除率都只有很小的增加,甚至反應(yīng)時間過長后不僅會對電力資源造成浪費,增加處理成本,還會造成水分蒸發(fā)使溶液體積減小,使相關(guān)指標(biāo)的去除率有所下降。所以,從經(jīng)濟角度考慮取反應(yīng)時間為10min比較適宜。

2.1.5 微波功率對去除率的影響

取250mL廢水水樣于300mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)pH值為 3,加入 FeSO4,使 FeSO4的質(zhì)量濃度為100mg/L,再加入H2O2,使H2O2質(zhì)量濃度為1500mg/L。同樣的幾份水樣分別在不同微波功率條件下反應(yīng)10min。然后測定水樣的COD、揮發(fā)酚及色度。結(jié)果見圖5。

圖5 微波功率對去除率的影響

由圖5可知,當(dāng)微波功率為400W時,COD、揮發(fā)酚和色度的去除率分別達到72.54%、99.85%、47.90%,此后三者去除率雖然隨著微波功率的增加而增加,但是增加的趨勢很平緩,而且在微波功率達到1000W以后時三者的去除率都有小幅度的下降。這是由于在微波功率為400W時,加熱條件已經(jīng)能很好地促進Fenton反應(yīng)的進行,反應(yīng)進行得較徹底,所以此時相關(guān)指標(biāo)的去除率都較高,即使增加微波功率也不能明顯地提高去除率。當(dāng)微波功率大于1000W時,加熱太劇烈,導(dǎo)致水分蒸發(fā),水溶液體積下降,使各項指標(biāo)的去除率都略有下降。考慮到節(jié)約用電成本,選擇微波功率為400W比較適宜。

2.2 不同條件下的Fenton反應(yīng)對比試驗

2.2.1 常溫Fenton反應(yīng)對去除率的影響

取250mL廢水水樣于300 mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)pH值為 3,加入FeSO4,使 FeSO4質(zhì)量濃度為100mg/L,再加入H2O2,使H2O2質(zhì)量濃度為1500mg/L。同樣的幾份水樣在40℃水浴條件下分別反應(yīng)不同的時間,然后測定各水樣的COD、揮發(fā)酚及色度。結(jié)果見圖6。

圖6 水浴條件下不同反應(yīng)時間對去除率的影響

由圖6可知,COD、揮發(fā)酚和色度的去除率都隨反應(yīng)時間的增加有所增加,但是增加的幅度不大。其中揮發(fā)酚的去除率都接近90%,與微波條件下Fenton的處理效果相差不大,但是去除結(jié)果還未達標(biāo)。COD和色度的去除率與在微波條件下Fenton的處理效果相比差別很大,可見微波條件可以促進Fenton反應(yīng)對廢水中較難降解有機物的降解。

2.2.2 單獨微波條件對去除率的影響

取250mL廢水水樣于300 mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)pH值為3。同樣的幾份水樣在只有微波的條件下分別反應(yīng)不同的時間,然后測定各水樣的COD、揮發(fā)酚及色度。結(jié)果見圖7。

圖7 只有微波的條件下不同反應(yīng)時間對去除率的影響

由圖7可知,揮發(fā)酚的去除率隨反應(yīng)時間的增加先有所增加,后又出現(xiàn)小幅度的下降。這是因為微波的加熱會導(dǎo)致酚揮發(fā)一部分,使揮發(fā)酚的去除率有上升趨勢,而后由于微波的持續(xù)加熱使溶液體積減小,導(dǎo)致?lián)]發(fā)酚的去除率出現(xiàn)下降。COD和色度的去除率都很小,均不到10%,且變化不大,這是由于廢水中只有很小部分的有機物吸收了微波而被降解掉。所以單獨用微波處理此廢水效果很差,要與Fenton試劑結(jié)合使用才能取得較好的效果。

3 結(jié) 語

隨著我國對環(huán)保事業(yè)越來越重視,一些固體廢棄物的資源化已經(jīng)被提上議事日程。目前稻殼熱解發(fā)電技術(shù)是我國農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化中一項很重要的技術(shù),而稻殼熱解發(fā)電中產(chǎn)生的含酚廢水成為阻礙該技術(shù)推廣的重要因素之一。筆者的研究表明,用Fenton試劑在微波條件下能有效地處理此含酚廢水,而且操作簡單,反應(yīng)速度快。H2O2質(zhì)量濃度、FeSO4質(zhì)量濃度、pH值、反應(yīng)時間都直接影響Fenton試劑對廢水的處理效果。只使用Fenton試劑處理稻殼熱解發(fā)電含酚廢水能很好地降解其中的揮發(fā)酚,但還不能較理想地處理COD,然而其為后續(xù)處理如吸附、絮凝處理提供了基礎(chǔ),也為稻殼熱解發(fā)電含酚廢水的處理提供了理論和技術(shù)上的參考,從而為推廣稻殼熱解發(fā)電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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Experiment on treatment of phenol-containing water from the generation of electricity of rice hull pyrogenation with Fenton reagent in the condition of microwaves

ZHU Ling-feng,LUO Lin,JIANG Hong-guo,LIU Yan,WEI Jian-hong
(College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University,Changsha410128,China)

The effect of the treatment of phenol-containing waterwith Fenton reagent on the condition of microwaves was studied in this experiment.The factors influencing the removal rate of COD,volatile phenol,and chroma in effluent of Husk pyrolysis power generation,such as the mass concentration of H2O2,the mass concentration of FeSO4,the pH value,the reaction time,and the microwave power,were investigated,and contrasting experiments under different conditions were researched.The results indicated that the Fenton reagent could treat this wastewater rapidly in the condition of microwaves.The removal rate of the COD in the wastewater exceeded 73%,the removal rate of the volatile phenol exceeded 99%,and the removal rate of the chrome approached 50%.The optimum operating conditions for the treatment of phenol-containing waterwere a concentration of H2O2of 1500mg/L,a concentration of FeSO4of 100mg/L,a pH value of 3,a reaction time of 10min,and microwave power of 400W.

wastewater from the generation of electricity of rice hull pyrogenation;phenol-containing water;wastewater treatment;COD;volatile phenol;chrome

X52

B

1004-6933(2010)03-0053-04

國家自然科學(xué)基金(50874046)

朱凌峰(1984—),男,湖南懷化人,碩士研究生,研究方向為水污染處理。E-mail:lingfengja207@163.com

羅琳,教授。E-mail:luolinwei0@163.com

2009-06-22 編輯:高建群)