超聲波強化Fenton處理苯酚廢水的試驗研究

郭秋岑，楊嗣靖

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽110168)

苯酚又稱為石炭酸，是一種具有毒性的芳香族化合物[1]。焦化、制藥、紡織等行業(yè)均會產(chǎn)生含有苯酚的廢水[2-3]。苯酚屬于難降解的有機污染物，自身具有毒性，無法采用生物方法處理含苯酚廢水，目前常采用物理、化學(xué)方法[4-7]。

近年來，高級氧化法由于自身沒有選擇性且能夠高效去除污染物，常被用于處理一些難降解的廢水[8]。作為高級氧化法的一種，F(xiàn)enton試劑法已對印染廢水、制藥廢水、造紙廢水等取得了較好的去除效果[9-11]。但在推廣過程中發(fā)現(xiàn)，想要維持較好的處理效果，需加大藥劑投加量，且投加量的增大與去除率并不呈正比。如何進(jìn)一步提高Fenton試劑法的去除效果并節(jié)約投藥量，成為現(xiàn)階段的主要研究方向。筆者采用超聲波強化Fenton試劑法，考察了超聲波條件下有機物的去除情況以及能否實現(xiàn)藥劑投加量的降低，以期為Fenton試劑法的強化提供理論支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗用水

采用實驗室模擬廢水，以分析純的苯酚配制而成，COD在470～482 mg/L。

1.2 試驗裝置與方法

KQ-100E型超聲波清洗槽的超聲電功率為100 W，工作頻率為40 Hz，清洗容量為300×150×100 mm(4L)。

在進(jìn)行超聲波強化試驗過程中，超聲波反應(yīng)器內(nèi)注入適量的水，將裝有Fenton試劑和廢水的燒杯置于水中，進(jìn)行超聲波強化Fenton試劑法試驗。同時設(shè)置對照組，在無超聲波強化條件下進(jìn)行傳統(tǒng)Fenton試劑法試驗，其余運行條件均與超聲波強化組一致。

依照《水和廢水監(jiān)測分析方法》，采用快速密閉催化消解法檢測COD。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波強化Fenton試劑法對苯酚的處理效果

在室溫條件下，向8個500 mL的燒杯中各均勻加入試驗水樣400 mL，并用稀H2SO4、NaOH和緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值至3。向每個燒杯中投加500 mg FeSO4·7H2O。待充分溶解后，再投加6.4 mL/L質(zhì)量濃度為30%的H2O2。將燒杯置于超聲波反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行試驗，反應(yīng)時長分別為10，20，30，40，50，60，90和120 min，控制超聲波的功率和頻率分別為140 W和40 kHz。待反應(yīng)結(jié)束后，將pH值調(diào)節(jié)至11，靜止至室溫后取上清液檢測COD，結(jié)果如圖1所示。

圖1 超聲波強化Fenton對苯酚廢水的處理效果Fig.1 Treatment effect of Fenton on phenol wastewater enhanced by ultrasonic wave

可以看出，雖然兩組對比試驗下對苯酚的去除效果均于60 min后趨于穩(wěn)定，但采用超聲波強化時明顯優(yōu)于未強化的對照組，此時的去除率為85.39%，比未經(jīng)強化時提升了16.11%。分析認(rèn)為，苯酚主要通過Fenton試劑氧化、自由基氧化反應(yīng)和超聲波空化效應(yīng)產(chǎn)生的高溫?zé)峤夥磻?yīng)被去除，但任何一種途徑都無法在較短時間內(nèi)產(chǎn)生大量·OH，因此在反應(yīng)的最初階段COD去除率較低。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，·OH逐漸增多，可同時通過3個途徑生成，加快反應(yīng)速度。超聲波強化Fenton試劑法還能夠催化H2O和H2O2分解，產(chǎn)生更多的·OH，提高了H2O2的利用率，進(jìn)而提升了Fenton試劑法的催化氧化效率。此外，超聲波的攪動作用可以將·OH均勻擴散在溶液中，增大了接觸面積，使反應(yīng)更充分、徹底。

2.2 超聲波強化對H2O2投加量的影響

保持試驗流程和其他參數(shù)不變，待加入的500 mg FeSO4·7H2O充分溶解后，分別加入0.25Qth、0.5Qth、Qth、1.5Qth、2Qth、2.5Qth、3Qth質(zhì)量濃度為30%的H2O2(Qth=3.2 mL/L)，反應(yīng)時間為60 min。從圖2可以看出，強化Fenton試劑法對COD的去除效果提升更為迅速，最佳去除率更早實現(xiàn)，出現(xiàn)在H2O2投加量為4.8 mL/L時。而未經(jīng)過超聲波強化的峰值，則出現(xiàn)在H2O2投加量6.4 mL/L。這說明超聲波對Fenton試劑法中H2O2的投加量有較大影響。分析認(rèn)為，超聲波的空化效應(yīng)使空化泡在崩潰的瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓，加速了H2O2的分解，使溶液中的H2O和H2O2迅速分解，產(chǎn)生更多的·OH，提高了其產(chǎn)生速率，加速了苯酚的催化氧化[12]。苯酚也可以進(jìn)入到空化泡中參加高溫?zé)峤獗蝗コ瑥亩岣吡巳コЧ?/p>

圖2 超聲波強化對H2O2投加量的影響Fig.2 Influence of ultrasonic enhancement on the dosage of H2O2

2.3 超聲波強化對FeSO4·7H2O投加量的影響

在室溫條件下，改變FeSO4·7H2O的投加量，待其充分溶解后，加入4.8 mL/L 30% 的H2O2開展試驗。從圖3可以看出，與H2O2投加量受超聲波的影響相似，在不同F(xiàn)eSO4·7H2O投加量下，超聲波強化后的COD去除效果皆優(yōu)于未經(jīng)強化時，最佳去除率在投加量為400 mg時出現(xiàn)，低于未經(jīng)過超聲波強化的500 mg。

分析認(rèn)為，F(xiàn)e2+在Fenton試劑法和超聲波強化Fenton試劑法中起著催化和傳遞自由基的作用。Fe2+可以在超聲波的作用下催化H2O2分解產(chǎn)生更多的·OH，并提高反應(yīng)速率，使·OH參與氧化去除苯酚的反應(yīng)，因此COD去除率提高。此外，超聲波的機械作用可以使Fe2+和·OH與溶液更加充分地混合在一起，提高了催化劑的催化效率，從而加速了苯酚的去除。

圖3 超聲波強化對FeSO4·7H2O投加量的影響Fig.3 Influence of ultrasonic enhancement on the dosage of FeSO4·7H2O

3 結(jié)論

① 在相同的試驗條件下，超聲波強化Fenton試劑法的COD去除率可達(dá)85.39%，比傳統(tǒng)Fenton試劑法高出約16.11%。

② 超聲波強化會影響Fenton試劑法的H2O2投加量，COD去除率在H2O2投加量為1.5Qth(4.8 mL/L)時達(dá)到最大，節(jié)約了H2O2的投加量。

③ 與傳統(tǒng)Fenton試劑法相比，超聲波強化可使FeSO4·7H2O的最佳投加量由500 mg降至為400 mg，減少了藥劑用量，降低了成本。