Fenton氧化技術修復六氯環己烷污染土壤特性研究*

倪茂飛 俞哲彬 李 娜 楊延梅 楊 帥 李 川 黃啟飛 田書磊#

(1.重慶工商大學環境與資源學院，重慶 400067； 2.中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所，北京 100012； 3.東北大學秦皇島分校資源與材料學院，河北 秦皇島 066004；4.重慶交通大學河海學院，重慶 400074)

六氯環己烷(HCHs)作為一種持久性有機污染物(POPs)，已被國際癌研究機構確定為2B致癌物質，其毒性反應會對動物的肝腎器官、中樞神經造成嚴重的影響，于2011年列入了《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》管控名單。而在20世紀70年代，中國HCHs的生產和使用量大，截至1983年停產時，其累積生產量已達到490萬t[1]，占全世界生產總量的33%[2]。眾多學者已對HCHs在土壤中的殘留量進行了研究[3-9]，結果表明，中國西南地區HCHs殘留量較大。農田土壤中的HCHs殘留質量濃度為4.35～394.07 ng/g[10]。因此，農用土壤和工業土壤中農藥類POPs污染備受關注[11-12]。

表1 原土壤理化性質背景值

目前，常見的土壤修復技術包括物理、化學和生物修復技術，如換土/客土法、固定/穩定化和微生物修復等技術。但這些修復技術一般存在場地要求高、費用高、周期長、效率低、不能根本治理等缺點，在工程實例中已逐漸被新興的修復技術所取代。近年來，Fenton氧化技術以其能耗低、后處理工程簡單和環境友好等特點，在土壤修復研究中得到大量的關注[13-17]。然而，卻鮮有關于Fenton氧化劑對同一物質不同異構體特性研究的報道，因此有必要對這方面研究進行補充。

本研究以中國西南地區某廢棄HCHs生產企業的污染土壤作為研究對象，分析了Fenton氧化時間、催化劑種類、催化劑投加量和H2O2投加量對HCHs修復效果的影響，并對比了同等條件下，4種HCHs異構體(α-HCH、β-HCH、γ-HCH和δ-HCH)的去除效果。為Fenton氧化修復典型POPs污染土壤提供了基礎方法理論，同時也為中國履行《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗用污染土壤制備

試驗用污染土壤取自中國西南地區某廢棄HCHs生產企業，土壤類型為紫色土，其基本理化性質見表1。將土壤在冷凍干燥機中進行冷凍干燥，充分混勻并除去雜質，之后將其研磨攪拌并過80目篩待用。該場地曾是西南地區大型農藥生產企業，歷史上對HCHs、雙氯苯基三氯乙烷(DDTs)進行大規模集中生產，并于20世紀80年代停產，廠區污染物在土壤中殘留數年。

土壤理化性質及分析方法如下：(1)土壤顆粒密度根據《森林土壤土粒密度的測定》(LY/T 1224—1999)進行測定；(2)土壤容重根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)中的環刀法進行測定；(3)含水率根據《森林土壤含水量的測定》(LY/T 1213—1999)中烘干法進行測定；(4)土壤總孔隙度根據LY/T 1224—1999和GB/T 50123—1999中的環刀法進行測定；(5)pH根據《土壤pH的測定》(NY/T 1377—2007)進行測定；(6)土壤滲透系數根據《森林土壤滲濾率的測定》(LY/T 1218—1999)進行測定；(7)土壤有機質根據《土壤有機質測定法》(NY/T 85—1988)進行測定。

1.2 試劑與儀器

1.2.1 主要儀器

GC-2010型高效氣相色譜儀；MGS-2200型氮吹儀；SC-3610型離心機；KQ5200DE型數控超聲波清洗儀；RE52CS-1旋轉蒸發器；FD-1A-50型冷凍干燥機；KJDHZ-82型恒溫水浴振蕩箱；AG-285型電子分析天平。

1.2.2 主要試劑

佛羅里硅土；丙酮、正己烷、二氯甲烷、無水硫酸鈉、Fe2O3粉末、Fe2(SO4)3晶體、FeSO4·7H2O晶體、鐵粉，均為分析純；H2O2溶液(質量分數為30%)。

1.3 試驗方法

所有樣品均設置3組平行，試驗結果取其算術平均值。

1.3.1 樣品添加

用電子分析天平準確稱取200 g已制備好的污染土壤，加入三角瓶中。向其中依次加入催化劑和H2O2溶液，之后將三角瓶置于25 ℃、150 r/min恒溫水浴振蕩箱中振蕩。反應一定時間后，取樣測定土壤中HCHs的殘留濃度。

1.3.2 試驗條件設置

(1) Fenton氧化時間試驗

以FeSO4·7H2O晶體為催化劑，當催化劑投加量為5%(質量分數)、H2O2投加量為20 g/mL時進行試驗。每隔10 min對污染土壤中的HCHs進行測定，直至去除效果穩定為止。

(2) 催化劑種類試驗

當催化劑投加量為5%、H2O2投加量為20 g/mL時進行100 min試驗，考察Fe2O3粉末、Fe2(SO4)3晶體、FeSO4·7H2O晶體、鐵粉等4種催化劑對污染土壤中HCHs的去除效果。

(3) 催化劑投加量試驗

以FeSO4·7H2O晶體為催化劑，當H2O2投加量為20 g/mL時進行100 min試驗，考察催化劑投加量(1%、2%、3%、4%和5%)對污染土壤中HCHs的去除效果。

(4) H2O2投加量試驗

以FeSO4·7H2O晶體為催化劑，當催化劑投加量為5%時進行100 min試驗，考察H2O2投加量(10、15、20 g/mL)對污染土壤中HCHs的去除效果。

1.3.3 數據處理

以HCHs去除率(η，%)表征Fenton氧化技術對污染土壤中HCHs的去除效果，并按式(1)計算。

(1)

式中：c0為原土壤中HCHs質量濃度，ng/g；c為Fenton氧化后HCHs質量濃度，ng/g。

1.4 分析方法

1.4.1 樣品預處理

樣品提前采用超聲提取。稱取10 g樣品加入50 mL聚四氟乙烯離心管中，再加入30 mL正己烷/丙酮提取液(體積比為1∶1)，提前超聲30 min(35 ℃)，離心，將上層提取液轉入250 mL圓底燒瓶，重復提取3次，合并提取液，并采用旋轉蒸發器濃縮至1 mL(35 ℃)。

1.4.2 樣品提取

樣品采用硅酸鎂層析柱凈化。硅酸鎂層析柱：在帶有篩孔的層析柱(內徑1 cm，長35 cm)自上而下依次裝填無水硫酸鈉2 cm、活化佛羅里硅土10 cm、無水硫酸鈉2 cm，邊加填料邊用洗耳球敲擊層析柱以確保裝填密實。使用前用50 mL正己烷預淋洗，避免填料中存在明顯的空氣。待正己烷剛好淹沒硫酸鈉層時，關閉柱閥。將濃縮后的樣品加入硅酸鎂層析柱，過柱后用50 mL正己烷/二氯甲烷(體積比4∶1)洗脫，洗脫液濃縮并經高純氮氣吹干，用正己烷定容至1 mL，上機進行氣相色譜分析。

1.4.3 氣相色譜測定條件

進樣器溫度280 ℃。升溫程序：初始溫110 ℃，保持1 min，以10 ℃/min速度升至180 ℃，保持1 min，再以6 ℃/min速度升至210 ℃，保持1 min，然后以10 ℃/min速度升至300 ℃，保持1 min。載氣：高純氦氣(純度>999.999%)，柱流量1.0 mL/min。進樣器模式：分流體積比5∶1，進樣量1 μL。

2 結果與討論

2.1 Fenton氧化時間對HCHs去除效果的影響

Fenton氧化時間對HCHs去除效果的影響如圖1所示。由圖1可知，剛開始的一段Fenton氧化時間內，4種HCHs異構體的去除率都是隨著Fenton氧化時間的延長而逐漸增大，當Fenton氧化反應超過40 min后，4種HCHs異構體的去除率則增加得較緩慢甚至趨于穩定，其中β-HCH的去除率最高，最終穩定時間為100 min,其去除率為96.7%；α-HCH次之，Fenton氧化時間在70 min后達到穩定，其去除率為79.9%；γ-HCH和δ-HCH分別在Fenton氧化時間為60、80 min后達到穩定，其去除率分別為54.8%和51.8%。

圖1 Fenton氧化時間對HCHs去除效果的影響Fig.1 Effects of the oxidation time on the HCHs removal efficiency

由圖1還可知，不同HCHs異構體的反應速率和去除效果存在差異，但HCHs的去除率曲線保持較好的一致性。這說明，各種HCHs異構體具有相同的去除機制。試驗中，β-HCH穩定性最強，而γ-HCH的穩定性最弱[18-20]，但其去除效果卻剛好相反。這證明，Fenton氧化機制中存在與光、熱穩定性和異構能力無關的元素。SAWYER等[21]認為，是由于親核加成所形成的原始反應中間體[LmFe2+O—OH]對環烴類有機物進行配位反應所造成的。KREMER等[22]進一步研究顯示，其中間產物為離子對配合物(Ⅰ)和絡離子(Ⅱ)，方程式如式(2)至式(4)所示，因而其Fe3+/H2O2體系有可能是降解HCHs的另一因素。

(2)

Fe3+HO-(Ⅰ)+O·→Fe(HO2)2+(Ⅱ)

(3)

Fe(HO2)2+(Ⅱ)+H2O2→Fe3++OH-+H2O+O2

(4)

為保證HCHs異構體均反應完全，本試驗的Fenton氧化時間最佳為100 min。

2.2 催化劑種類對HCHs去除效果的影響

催化劑種類對HCHs去除效果的影響如圖2所示。由圖2可見，FeSO4·7H2O晶體對β-HCH的去除率最高，為96.7%；α-HCH和γ-HCH也均是在FeSO4·7H2O晶體作催化劑條件下獲得最高去除率，分別為79.1%和54.8%。這說明，FeSO4·7H2O晶體結構可以更好地和H2O2接觸，產生具有強氧化效果的HO·[23]。但是，所有催化劑對δ-HCH的去除率相差不大，在51.8%～53.1%內。這說明，Fenton氧化對δ-HCH的去除已經達到化學平衡，去除率不再隨HO·產生量的增加而增大。

圖2 催化劑種類對HCHs去除效果的影響Fig.2 Effects of the various catalysts on the HCHs removal efficiency

不同催化劑種類對HCHs的去除效果存在一定差異，其中Fe2+去除效果最佳，而Fe3+和Fe0對不同HCHs異構體的去除率并不一致，證明Fenton試劑中與H2O2的主要還原劑為Fe2+，而Fe3+和Fe0可以延長H2O2壽命，其催化效率依賴于在土壤空隙水中的溶解率和本身的存在形態[24]，反應方程如式(5)至式(8)所示。

HO·+HO2→H2O+O2

(5)

HO·+Fe2+→Fe3++OH-

(6)

HO·+H2O2→H2O+HO2·

(7)

HO·+HO·→H2O2

(8)

在足量催化劑和H2O2條件下HCHs的去除率存在平衡點。LIN等[25]認為，H2O2可以與氧化物表面HO·發生副反應形成內圈層化合物，從而抑制HO·的生成，而異構體相互競爭進一步增大了該反應的速率，導致HO·與Fe2+接觸量不斷減少，促使Fenton反應達到平衡。該試驗最佳催化劑為FeSO4·7H2O晶體。

2.3 催化劑投加量對HCHs去除效果的影響

催化劑投加量對HCHs去除效果的影響如圖3所示。由圖3可見，當催化劑投加量為4%時，HCHs的去除率開始穩定。α-HCH和δ-HCH去除率在催化劑投加量為4%時達到最高，分別為79.1%和51.8%，繼續增大催化劑投加量，其去除率變化不大。這說明，對于α-HCH和δ-HCH，在催化劑投加量為4%時HO·的氧化效果開始飽和，過量的HO·不被其利用。β-HCH和γ-HCH去除率在催化劑投加量為5%時達到最高，分別為96.7%和54.8%，相比于催化劑投加量為4%時去除率增幅不大。這說明，催化劑投加量為4%時HCHs的Fenton氧化反應已經達到化學平衡，過量的Fe2+會與HO·反應[26]或使H2O2迅速分解[27]，從而影響去除率。當催化劑投加量為1%時，β-HCH的去除率最低，為20.0%，隨著催化劑投加量的增大，其去除率迅速增加；而此時α-HCH去除率最高，為38.6%。說明催化劑的利用率存在差異，這與土壤類型、污染物種類及其濃度有關[28]。為考慮各種HCHs異構體充分反應且HCHs總的去除率最大，本試驗催化劑投加量最佳為5%。

圖3 催化劑投加量對HCHs去除效果的影響Fig.3 Effects of the catalyst quantity on the HCHs removal efficiency

2.4 H2O2投加量對HCHs去除效果的影響

H2O2投加量對HCHs去除效果的影響如圖4所示。

由圖4可知，當H2O2投加量為10 g/mL時，各HCHs異構體已經具有了一定的去除率，其中β-HCH去除率最高，為51.7%。繼續增大H2O2投加量至15 g/mL時，β-HCH和δ-HCH的去除率已接近最大值，分別為95.5%和51.0%，但是α-HCH和γ-HCH去除率仍會因H2O2投加量的增大而明顯增大，分別為65.4%和47.2%。說明增大H2O2投加量對HCHs去除具有促進作用，但不同HCHs異構體對H2O2的需求量存在差異。當H2O2投加量為20 g/mL時，各HCHs異構體的去除率均到達最高，α-HCH、β-HCH、γ-HCH和δ-HCH去除率分別為79.1%、96.7%、54.8%和51.8%。可見，增大H2O2投加量可促進HCHs異構體的去除。HCHs去除率在H2O2投加量為15～20 g/mL時迅速穩定，說明過量的HO·被H2O2消耗較少，因為它與Fe2+的反應速率較快，這與MATER等[29]的研究結果相似。而投入過量的H2O2時，會發生式(7)的反應，降低其Fenton氧化效率[30]。

圖4 H2O2投加量對HCHs去除效果的影響Fig.4 Effects of the H2O2 quantity on the HCHs removal efficiency

因此，綜合考慮成本及效率等因素，本試驗最佳H2O2投加量為20 g/mL。

2.5 HCHs的Fenton氧化去除率比較

對比研究HCHs異構體在最優條件下的去除效果，分析評價基于Fenton氧化技術修復HCHs污染土壤的可行性、經濟性和環境友好性，結果如表2所示。

如表2所示，在以FeSO4·7H2O晶體為催化劑、

Fenton氧化時間為100 min、催化劑投加量為5%、H2O2投加量為20 g/mL的最優條件下，各HCHs異構體去除率已接近獨立試驗最大值，其中α-HCH和δ-HCH稍低于單因素考察試驗最大值79.9%和51.8%，但保證了HCHs總的去除率最大，且簡化了工藝過程，無需分類投加。在最優條件下，4種HCHs異構體的去除效果存在差異，其結果為β-HCH(96.7%)>α-HCH(79.2%)>γ-HCH(54.8%)>δ-HCH(51.3%)。

由此可見，該試驗條件溫和、藥品及設備易于管理且經濟實用、Fenton氧化時間短且去除率高，用Fe2+和H2O2進行反應，其產物綠色安全、不易引起二次污染。因此，其具有較高的可行性、經濟性和環境友好性，是一種優秀的HCHs污染土壤修復方法。今后需進一步對其工藝條件進行優化，將其投入到大規模的原位土壤修復工作中，為HCHs污染場地修復提供理論依據和技術支持。

3 結 論

(1) HCHs可通過Fenton氧化降解，其去除率與Fenton氧化時間、催化劑種類、催化劑投加量以及H2O2投加量有關。

(2) 延長Fenton氧化時間可以促進HCHs的去除，其去除率在100 min后達到穩定；Fe2+的催化效率優于Fe3+和Fe0，最佳催化劑為FeSO4·7H2O晶體；增大催化劑投加量可促進HCHs的去除，催化劑投加量最佳為5%；較高投加量的H2O2有利于產生更多的HO·，H2O2投加量最佳為20 g/mL。

(3) Fenton氧化對HCHs的去除機制具有一致性，但不同HCHs異構體的去除率存在差異。在以FeSO4·7H2O晶體為催化劑、Fenton氧化時間為100 min、催化劑投加量為5%、H2O2投加量為20 g/mL的最優條件下，β-HCH去除率最高(96.7%)，α-HCH去除率次之(79.2%)，γ-HCH和δ-HCH去除率分別為54.8%和51.3%。

(4) Fenton氧化技術是一種優秀的HCHs污染土壤修復技術。通過對其試驗條件及HCHs異構體的去除效果進行比較，可知其具有較高的可行性、經濟性和環境友好性，具有較大的HCHs污染場地原位修復應用前景。

表2 最優條件下HCHs異構體的去除效果

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