不同紫外光條件下UV/Fenton降解活性艷藍X-BR

雷彩虹，趙素萍，楊 英

（杭州科技職業技術學院， 浙江 杭州 311402）

不同紫外光條件下UV/Fenton降解活性艷藍X-BR

雷彩虹，趙素萍，楊 英

（杭州科技職業技術學院， 浙江 杭州 311402）

研究了波長、功率、紫外燈數量和輻照時間對UV/Fenton降解活性艷藍X-BR的影響。結果表明：UVB對活性艷藍X-RB的降解效果最好，染料在60 min內完全降解。隨著紫外光功率的增大，染料降解效率提高。在相同的功率條件下，采用多只小功率紫外燈組合的方式能夠提高處理效果。采用暗態Fenton反應30 min后再開啟紫外燈，不僅能完全降解染料，還能夠降低運行費用。

Fenton氧化；紫外光源；活性艷藍X-RB

Fenton氧化法作為一種高級氧化技術在有機污染治理領域得到了廣泛的應用［1-3］。為了進一步提高Fenton法的氧化效率，通常采用紫外光或可見光與Fenton相耦合，形成光助Fenton 技術。由于紫外光與Fe2+的協同效應提高了H2O2的分解速率，不僅能大大提升處理效率，還可以減少 Fe2+用量，因此具有更廣泛的應用前景［4，5］。

目前，已對水中多種難降解有機物的光助Fenton降解機理和動力學進行了大量研究。此外，包括Fenton試劑投加量、投配比、反應時間等多種影響光助Fenton體系處理效果的因素也被充分地調查［6-8］。然而，紫外光源作為光助Fenton體系中的重要組成部分，其作用條件對光助Fenton反應降解效率的影響卻鮮有報道。

本文以常見染料活性艷藍X-RB為對象，考察了紫外光條件對紫外光助Fenton體系（UV/Fenton）降解效果的影響。主要研究了不同紫外光波長、紫外燈功率及數量、輻照時間條件下染料的降解規律。對于深入了解紫外光在UV/Fenton體系中的作用具有一定的意義，并對UV/Fenton處理工藝的優化及反應器的設計提供了有價值的依據。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

活性艷藍X-RB（市售商業級）為蒽醌類染料，最大吸收波長598 nm，用去離子水配成1 000 mg/L的儲備液以備用。實驗中其它試劑均為分析純。紫外光源為特制的UVC、UVB和UVA紫外燈（武漢愛斯佩科學儀器有限公司），主波長分別為254、302和365 nm，功率15 W。XR-1000紫外線強度計（美國Spectroline），PHB-5便攜式pH計（上海偉業儀器廠），CARY 50Probe型紫外-可見分光光度計（Varian，美國）。

1.2 實驗方法

反應器為自制的圓柱形有機玻璃反應器（內徑80 mm，高220 mm），有效容積1 L，外部帶有水浴冷凝套夾。整個反應器置于一個恒溫磁力攪拌器上，紫外燈懸置于反應器中軸線，反應器內壁附有一層錫箔紙以提高紫外光的利用效率。實驗步驟：向反應器中加入600 mL初始濃度為50 mg/L的活性艷藍X-RB溶液，調節溶液pH=3，投加雙氧水0.02 mol/L及硫酸亞鐵0.005 mol/L，同時磁力攪拌3 min后，啟動紫外燈開始反應。分別在10、30、60、90、120和240 min時取上清液，測定反應前后染料的濃度及降解率。探討不同波長、不同功率紫外光和紫外燈個數、作用時間對活性艷藍X-RB降解效果的影響。

1.3 活性艷藍X-RB降解率的測定

活性艷藍X-RB的濃度采用分光光度法測定，在最大吸收波長處測定吸光度，根據之前繪制的標準曲線計算濃度，活性艷藍X-RB的降解率根據下式計算：

式中：C0— 反應前活性艷藍X-RB的濃度，mg/L；

Ct— 反應t時刻活性艷藍X-RB的濃度，mg/L。

2 結果和討論

2.1 紫外光波長的影響

不同波長紫外光（UVA、UVB、UVC）條件下，UV/Fenton體系對活性艷藍X-RB的降解效果如圖1所示。

圖1 紫外光波長對降解率的影響Fig.1 Effect of UV wavelength on degradation

可以看出，單獨的 Fenton體系對活性艷藍X-RB的降解速率較低，反應240 min時降解率僅為86.1%。在UVA、UVB、UVC 3種紫外光源輻照下降解速率均大大提升，在120 min內基本能夠完全降解。通常而言，UV/Fenton對有機物的氧化能力主要取決于體系中·OH的濃度，產生·OH的途徑主要有以下三種［9］：1）H2O2的直接光解；2）傳統Fenton反應中 Fe2+對 H2O2的催化分解；3）水溶液中多種鐵羥基配合物，如Fe（H2O）63+、Fe（OH）2+、Fe（OH）2

+、Fe（OH）3、Fe2（OH）24+的光解，其中以Fe（OH）2+的光學活性最強。由此可見，紫外光的引入可以有效促進·OH的產生。此外Fe3+在光照條件下部分轉化為Fe2+，實現了UV/Fenton體系中Fe3+/Fe2+的循環，大大增加了染料的降解效率［10］。3種波長的紫外光相比較而言，采用UVB時活性艷藍X-RB的降解效果最好，在60 min內即可完全降解。一般認為H2O2只顯著吸收波長為300 nm以下的紫外光，且紫外光波長越短則能量越高，更有利于光助Fenton反應的發生［11，12］。另一方面，紫外光波長越短其在水中的穿透能力也會大大減弱，從而導致降解效率降低。

2.2 紫外燈功率的影響

分別采用5、10、15 W三只UVB紫外燈作為光源，考察紫外燈功率對UV/Fenton體系降解活性艷藍X-RB的影響，結果如圖2所示。可以看出，使用15 W的紫外燈能夠在60 min內完全降解活性艷藍X-RB，而對于10 W和5 W的紫外燈，活性艷藍X-RB完全降解的時間則分別需要120 min和240 min。這表明隨著紫外燈功率增加，活性艷藍X-RB的分解更加迅速。其原因是紫外燈功率增加，輻射的紫外光強增大，則單位時間內光通量增加，即光量子數增加，從而促進了UV/Fenton體系產生更多的強氧化性的·OH，進而提高活性艷藍X-RB的降解速率。陳芳艷等［13］研究了光助Fenton氧化法降解水中六氯苯，得到相同的結論。此外，對于其它紫外光參與的高級氧化反應如：UV/H2O2［14］、UV-TiO2光催化［15］，有機物的去除率和去除速率都隨光強的增大而增大。

圖2 紫外等功率對降解率的影響Fig.2 Effect of UV lamp power on degradation

2.3 紫外燈數量的影響

在紫外燈輸出總功率相同的條件下，研究了不同紫外燈數量時活性艷藍X-RB的降解效果。圖3對比了反應40 min時，1只10 W紫外燈和2只5 W紫外燈、1只15 W紫外燈和3只5 W紫外燈對降解率的影響。可以看出，雖然輻射的總功率相同，但是采用多只小功率紫外燈組合的方式能夠進一步提高UV/Fenton體系的處理效果。這是由于紫外光入射強度低時，其能量利用率高，此外多個分散的光源使活性艷藍 X-RB溶液接受紫外光的輻射更均勻。因此，在UV/Fenton反應器設計時，應當優先考慮采用多個小功率光源輸入紫外線。

圖3 紫外燈數量對降解率的影響Fig.3 Effect of UV lamps on degradation

2.4 紫外光輻照時間的影響

采用15 W的UVB紫外燈作為光源，在暗態Fenton反應的不同時刻開啟紫外燈，研究紫外光輻照時間對活性艷藍X-RB降解效果的影響，結果如圖4所示。

圖4 紫外光輻射時間對降解率的影響Fig.4 Effect of UV irradiation time on degradation

可以看出，對于暗態Fenton體系，雖然活性艷藍 X-RB的降解率隨著反應時間的延長而逐漸增加，但是在反應前90 min降解較快，之后降解率的增加則趨于平緩。Fenton氧化有機物的實質是依靠Fe2+催化 H2O2產生的·OH與有機物發生反應［16］，由于體系中H2O2含量隨著反應的進行逐漸消耗，并且Fe2+不斷轉化為Fe3+，大大限制了·OH的產生，因此90 min后活性艷藍X-RB的降解出現“中止”。然而，在反應過程中引入紫外光輻照后，活性艷藍 X-RB的降解速率顯著的提高，即使是在暗態Fenton“中止”后，反應仍然能夠再次“啟動”。無論在任何時刻開啟紫外燈，活性艷藍X-RB均能夠在180 min內完全降解。這說明在反應過程中UV/Fenton體系同樣能夠通過Fe3+/Fe2+循環提高有機物的降解效率，并且利用 Fe（OH）2+光解實現長效的反應。此外，實驗結果表明在暗態Fenton反應0 min 和30 min時開啟紫外燈的降解效果差別不大，綜合考慮處理效果和經濟性，在實際運行過程中可先Fenton反應反應一段時間后再開啟紫外燈。

3 結 論

研究了不同紫外光條件下UV/Fenton體系降解染料活性艷藍X-RB的規律，探討了波長、功率、紫外燈數量和輻照時間對活性艷藍X-RB降解的影響。結果表明：UVB對活性艷藍X-RB的降解效果最好，染料在60 min內完全降解。隨著紫外光功率的增大，染料降解效率提高。在相同的功率條件下，采用多只小功率紫外燈組合的方式能夠提高處理效果。在暗態Fenton反應0 min 和30 min時開啟紫外燈的降解效果差別不大，綜合考慮處理效果和經濟性，在實際運行過程中可先Fenton反應反應一段時間后再開啟紫外燈。

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Degradation of Reactive Brilliant Blue X-BR
by UV/Fenton Under Different UV Source Conditions

LEI Cai-hong，ZHAO Su-ping，YANG Ying
（Hangzhou Polytechnic，Hangzhou Zhejiang 311402，China）

Effect of wavelength， power， UV lamp number and irradiation time on degradation of reactive brilliant blue X-BR by UV/Fenton was investigated. The results show that the dye can be completely removed within 60 min using a UVB lamp. Degradation efficiency of the dye increases with an increase in UV lamp power. Under the condition of a constant UV power， degradation efficiency can be improved by using several lamps with low power. The UV lamp is turn on after 30 min of Fenton reaction in dark， which can achieve a complete degradation of dye and reduce the operation cost.

Fenton oxidation； Ultraviolet source； Reactive brilliant blue X-BR

X 791

A

1671-0460（2015）12-2766-03

浙江省教育廳科研項目資助，Y201534093。

2015-08-20

雷彩虹（1972-），女，陜西渭南人，副教授，碩士學位，1994年畢業于哈爾濱工業大學環境工程專業，研究方向為工業水處理。E-mail：lch@mail.hzaspt.edu.cn。