芬頓氧化法降解水溶液中甲基橙的研究

孟寧 歐曉霞 秦雷云 何雪平 崔子碩 王馭晗

摘要：進行了芬頓體系催化氧化降解染料甲基橙水溶液的研究，考察了pH值、Fe2+和H2O2投加量、溫度等因素在對甲基橙降解率的影響。結果表明：在室溫20℃下，pH=3.0、[Fe2+]。=0.4 mmol/L[H2O）2]。=1.2 mmol/L的條件下，反應30 min后，甲基橙水溶液（30 mg/L）的降解率達到90%。升高反應溫度，有利于Fenton體系中甲基橙的降解，但影響并不顯著。結果可為利用芬頓體系處理含甲基橙的印染廢水提供理論依據。

關鍵詞：芬頓;甲基橙;降解

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0061-03

1 引言

印染紡織工業排放的大量廢水，組成多變，因含有大量的染料造成了對環境的嚴重污染，降低水的透明度和陽光的穿透深度，從而影響自然水體的光合作用活性和溶解氧量。其中，偶氮染料廢水色度高、有機組分復雜、化學性質穩定、微生物降解難，是較難治理的有機廢水[1]。目前印染廢水不能達標排放，往往是色度因素[2]，因此印染廢水的脫色是印染行業的主要環保問題。

高級氧化技術基丁羥基自由基·OH（標準氧化還原電位為2.8 V）的強氧化性，被認為是處理難降解有機廢水有發展前景的方法;其中芬頓（ Fenton）氧化法具有操作過程簡單、反應物易得、無需復雜設備且對環境友好等優點，在印染[2，3]、制革[4]、制藥[6]等廢水的預處理和深度處理過程中得到了較為廣泛的研究和應用。

甲基橙（methyl orange，MO）是染料廢水中較難降解的一種偶氮類化合物，已有報道利用含鐵的柱撐膨潤土[6]、FeVO4[7]等光催化劑降解甲基橙溶液。

本文以甲基橙溶液為模擬偶氮染料廢水，著重考察Fenton法對MO脫色的工藝性能及其主要影響因素。

2 材料與方法

2.1 儀器及試劑

主要儀器有：722光柵分光光度計（上海分析儀器廠），PHS 25型酸度計（上海雷磁儀器廠），電熱恒溫鼓風干燥箱DHG - 9246A（上海精宏實驗設備有限公司），DF- 101S集熱式磁力加熱攪拌器（大連科銳牛物工程有限公司）;主要試劑有甲基橙、過氧化氫（H2O2，質量分數30%）、硫酸亞鐵銨、氯化氫、氫氧化鈉，均為分析純。實驗中均用超純水（18.2 MΩ·cm）配制溶液和進行反應。

2.2 方法

稱取甲基橙試劑，配成100 mg/L的儲備液，在冰箱中避光保存。取一定體積的甲基橙溶液，加入不同濃度的Fe（Ⅱ），用HC1或NaOH調節溶液所需要的pH值，加入H202啟動反應，并開始計時，在固定時間取出水樣快速分析。甲基橙溶液濃度采用分光光度計在波長464 nm處時測定的吸光度。根據反應前后樣品的吸光度變化求得脫色率，計算公式為：

ω（%）=[（A0-A）/A0]×100% （1）

式中ω為去除率;A0為反應前464 nm處的吸光度值;A為反應后464 nm處的吸光度值。

3 結果與討論

3.1 不同的溶液初始pH值對甲基橙降解的影響

在甲基橙濃度為30 mg/L、Fe2+的初始濃度為0.4mmol/L、H2O2的初始濃度為1.2 mmol，/L、溫度為20℃的反應條件下，不同的溶液初始pH對甲基橙降解的影響見圖1。

由圖1可見，Fenton氧化降解甲基橙的最佳pH值是3.0，反應30 min后，甲基橙的去除率為90%。Fen-ton試劑的氧化反應是一個復雜的過程，作用機制為Fe2+催化H202分解生成強氧化性的·OH，并利用其攻擊和破壞有機質，達到水質凈化的目的[8]，其最主要的反應式如下：

Fe2++H2O2→·OH+Fe3+OH- （2）

Fe3++H202→Fe2+++H20+H+（3）

當pH=2時，甲基橙的去除率并不是很高，這是由于pH值過低時，高的H濃度會減慢Fe3+轉換為Fe2+，阻礙Fe2+的再生（式3），降低反應的循環效率，另外H+過高還會與·OH反應生成H2O。當pH值在5和6時，OH-濃度較高，會使反應（2）受阻，因此抑制了·OH的生成，甲基橙的去除率分別為15%和32%。同時，中性和堿性條件下會逐漸轉化為鐵氧化物沉淀，不能有效的催化H202生成·OH，減慢Fenton反應速率。閆巍等人[9]用Fe3O4-;膨潤土作為電Fenton催化劑時，降解橙黃的最佳pH值也是3。

3.2 不同的Fe2+初始投加量對降解的影響

當甲基橙的初始濃度為30 mg/L、H202的初始濃度為1.2 mmol/L、溫度為20℃時、初始pH值為3時，不同的Fe2+初始投加量對甲基橙降解的影響見圖2。

由圖2可見，當Fe2+初始投加量為0.4 mmol/L時，去除率最大，為90%。Fe2+的濃度過高或過低都不利于反應的發生。當溶液Fe2+濃度過大時，一方面多余的Fe2+與OH-反應，生成絮狀沉淀物，降低去除率;另一方面，Fe2+也會淬滅系統中存在的·OH（如反應4），使得與甲基橙反應的·OH減少。當溶液中Fe2+濃度過低時，不能使H2 02完全反應，限制了反應速率。當反應（2）發生一段時間，又生成了Fe2+，可與H202反應，因此即使Fe2+初始投加量較低，反應后期的去除率并不很低。

Fe2+·OH→Fe3++OH-（4）

3.3 不同的H2O2初始投加量對甲基橙降解的影響

H202在Fe2+催化作用下產生高氧化電位、無選擇性的·OH，所以其濃度直接影響·OH的生成量[1O]。當甲基橙的初始濃度為30 mg/L、Fe2+的初始濃度為0.4 mmol/L、溫度為20℃、初始pH值為3時，不同的H202初始投加量對甲基橙降解的影響見圖3。

從圖3可以看出，當H202濃度為0.4，0.8，1.2和2.O mmol/L時，對應的甲基橙的降解率分別為32%，64%，90%和91%，甲基橙的降解速率隨著H202濃度的增大而增加。這是因為H202是產生·OH的來源，隨著H202投加量的增加，按照反應式（2），Fenton體系中H202和Fe2+反應生成的·OH的濃度就會增加，從而提高了甲基橙的脫色速率。同時，由于H202也會和系統中存在的·OH反應（如反應5），因此，當H2 02的濃度從1.2升高到2.0時，甲基橙的去除率并沒有明顯變化。

H202+·OH→H02 ·+H20 （5）

3.4 不同的反應溫度對降解的影響

當甲基橙的初始濃度為30 mg/L、Fe2+的初始濃度為0.4 mmol/L、H2O2的初始濃度為1.2 mmol，/L、初始pH值為3時，不同的反應溫度對甲基橙降解的影響見圖4。

由圖4可知，反應溫度在20℃～30℃時，甲基橙的去除率較高，溫度過高或過低都不利于反應的發生。當反應溫度過高時，H202易揮發，導致氧化反應不能充分發生，因此去除率并沒有升高：當反應溫度過低時，催化劑的反應活性受到影響，反應不能快速發生。因此，可以認為Fenton降解甲基橙的反應能夠在室溫下反應。

4 結論

（1）本實驗條件下的Fenton體系中，H2O2最適用量為1.2 mmol/L，Fe2+最適用量為0.4 mmol/L，pH值為3.O，甲基橙廢水（30 mg/L。）的降解率達到90%以上。

（2）升高反應溫度，有利于Fenton體系中甲基橙的降解，但影響并不顯著。

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