超聲波強化Fenton處理苯酚廢水的試驗研究

郭秋岑，楊嗣靖

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，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、紡織等行業均會產生含有苯酚的廢水[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，Fenton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]。但在推廣過程中發現，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。如何進一步提高Fenton試劑法的去除效果并節約投藥量，成為現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)。

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

依照《水和廢水監測分析方法》，采用快速密閉催化消解法檢測COD。

2 結果與討論

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和緩沖溶液調節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質量濃度為30%的H2O2。將燒杯置于超聲波反應器內進行試驗，反應時長分別為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。待反應結束后，將pH值調節至11，靜止至室溫后取上清液檢測COD，結果如圖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后趨于穩定，但采用超聲波強化時明顯優于未強化的對照組，此時的去除率為85.39%，比未經強化時提升了16.11%。分析認為，苯酚主要通過Fenton試劑氧化、自由基氧化反應和超聲波空化效應產生的高溫熱解反應被去除，但任何一種途徑都無法在較短時間內產生大量·OH，因此在反應的最初階段COD去除率較低。隨著反應的進行，·OH逐漸增多，可同時通過3個途徑生成，加快反應速度。超聲波強化Fenton試劑法還能夠催化H2O和H2O2分解，產生更多的·OH，提高了H2O2的利用率，進而提升了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質量濃度為30%的H2O2(Qth=3.2 mL/L)，反應時間為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，出現在H2O2投加量為4.8 mL/L時。而未經過超聲波強化的峰值，則出現在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。分析認為，超聲波的空化效應使空化泡在崩潰的瞬間產生局部高溫高壓，加速了H2O2的分解，使溶液中的H2O和H2O2迅速分解，產生更多的·OH，提高了其產生速率，加速了苯酚的催化氧化[12]。苯酚也可以進入到空化泡中參加高溫熱解被去除，從而提高了去除效果。

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FeSO4·7H2O投加量下，超聲波強化后的COD去除效果皆優于未經強化時，最佳去除率在投加量為400 mg時出現，低于未經過超聲波強化的500 mg。

分析認為，Fe2+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分解產生更多的·OH，并提高反應速率，使·OH參與氧化去除苯酚的反應，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85.39%，比傳統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)時達到最大，節約了H2O2的投加量。

③ 與傳統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。