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芬顿氧化法降解水溶液中甲基橙的研究

更新时间:2009-03-28

1 引言

印染纺织工业排放的大量废水,组成多变,因含有大量的染料造成了对环境的严重污染,降低水的透明度和阳光的穿透深度,从而影响自然水体的光合作用活性和溶解氧量。其中,偶氮染料废水色度高、有机组分复杂、化学性质稳定、微生物降解难,是较难治理的有机废水[1]。目前印染废水不能达标排放,往往是色度因素[2],因此印染废水的脱色是印染行业的主要环保问题。

高级氧化技术基于羟基自由基·OH(标准氧化还原电位为2.8 V)的强氧化性,被认为是处理难降解有机废水有发展前景的方法;其中芬顿(Fenton)氧化法具有操作过程简单、反应物易得、无需复杂设备且对环境友好等优点,在印染[2,3]、制革[4]、制药[5]等废水的预处理和深度处理过程中得到了较为广泛的研究和应用。

甲基橙(methyl orange,MO)是染料废水中较难降解的一种偶氮类化合物,已有报道利用含铁的柱撑膨润土[6]、FeVO4[7]等光催化剂降解甲基橙溶液。

效验步骤:假设B要发送一条消息m给A,首先计算m的消息摘要y=h(m),并附在消息后面一起发出。A收到消息 m′后,检验 h(m′)=?y。如果相等,由于哈希函数具有强抗碰撞性,A可在很大程度上相信消息在传送过程中没有被篡改。

本文以甲基橙溶液为模拟偶氮染料废水,着重考察Fenton 法对MO脱色的工艺性能及其主要影响因素。

2 材料与方法

2.1 仪器及试剂

当甲基橙的初始浓度为30 mg/L、Fe2+的初始浓度为0.4 mmol/L、H2O2的初始浓度为1.2 mmol/L、初始pH值为3时,不同的反应温度对甲基橙降解的影响见图4。

2.2 方法

称取甲基橙试剂,配成100 mg/L的储备液,在冰箱中避光保存。取一定体积的甲基橙溶液,加入不同浓度的Fe(Ⅱ),用HCl或NaOH调节溶液所需要的pH值,加入H2O2启动反应,并开始计时,在固定时间取出水样快速分析。甲基橙溶液浓度采用分光光度计在波长464 nm处时测定的吸光度。根据反应前后样品的吸光度变化求得脱色率,计算公式为:

w (%)=[(A0-A)/A0]×100%

由图2可见,当Fe2+初始投加量为0.4 mmol/L时,去除率最大,为90%。Fe2+的浓度过高或过低都不利于反应的发生。当溶液Fe2+浓度过大时,一方面多余的Fe2+与OH-反应,生成絮状沉淀物,降低去除率;另一方面,Fe2+也会淬灭系统中存在的·OH(如反应4),使得与甲基橙反应的·OH减少。当溶液中Fe2+浓度过低时,不能使H2O2完全反应,限制了反应速率。当反应(2)发生一段时间,又生成了Fe2+,可与H2O2反应,因此即使Fe2+初始投加量较低,反应后期的去除率并不很低。

(1)

式中w为去除率;A0为反应前464 nm处的吸光度值;A为反应后464 nm处的吸光度值。

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3 结果与讨论

3.1 不同的溶液初始pH值对甲基橙降解的影响

在甲基橙浓度为30 mg/L、Fe2+的初始浓度为0.4 mmol/L 、H2O2的初始浓度为1.2 mmol/L、温度为20 ℃的反应条件下,不同的溶液初始pH对甲基橙降解的影响见图1。

  

1 不同的溶液初始pH值对甲基橙降解的影响

由图1可见,Fenton氧化降解甲基橙的最佳pH值是3.0,反应30 min后,甲基橙的去除率为90%。Fenton 试剂的氧化反应是一个复杂的过程,作用机制为Fe2+催化H2O2分解生成强氧化性的·OH, 并利用其攻击和破坏有机质,达到水质净化的目的[8],其最主要的反应式如下:

Fe2++H2O2→·OH+Fe3++OH-

(2)桥台面纵向位置设置坡度较大时,应该结合桥梁的具体方式来进行挖方施工,确保桥台稳定性达标,需要结合具体的施工情况,确定使用桩式台或者是一字台的方式[5]。

(2)

当甲基橙的初始浓度为30 mg/L、H2O2的初始浓度为1.2 mmol/L、温度为20 ℃时、初始pH值为3时,不同的Fe2+初始投加量对甲基橙降解的影响见图2。

(3)

当pH=2时,甲基橙的去除率并不是很高,这是由于pH值过低时,高的H+浓度会减慢Fe3+转换为 Fe2+,阻碍Fe2+的再生(式3),降低反应的循环效率,另外H+过高还会与·OH反应生成H2O。当pH值在5和6时,OH-浓度较高,会使反应(2)受阻,因此抑制了·OH的生成,甲基橙的去除率分别为15%和32%。同时,中性和碱性条件下会逐渐转化为铁氧化物沉淀,不能有效的催化H2O2生成·OH,减慢Fenton反应速率。闫巍等人[9]用 Fe3O4-膨润土作为电Fenton催化剂时,降解橙黄的最佳pH值也是3。

3.2 不同的Fe2+初始投加量对降解的影响

Fe3++H2O2→Fe2++H2O·+H+

  

2 不同的Fe2+初始投加量对降解的影响

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Fe2++·OH→Fe3++OH-

H2O2在Fe2+催化作用下产生高氧化电位、无选择性的·OH,所以其浓度直接影响·OH的生成量[10]。当甲基橙的初始浓度为30 mg/L、 Fe2+的初始浓度为0.4 mmol/L、温度为20 ℃、初始pH值为3时,不同的H2O2初始投加量对甲基橙降解的影响见图3。

(4)

3.3 不同的H2O2初始投加量对甲基橙降解的影响

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从图3可以看出,当H2O2浓度为0.4,0.8,1.2和2.0 mmol/L时,对应的甲基橙的降解率分别为32%,64%,90%和91%,甲基橙的降解速率随着H2O2浓度的增大而增加。这是因为H2O2是产生·OH的来源,随着H2O2投加量的增加,按照反应式(2),Fenton体系中H2O2和Fe2+反应生成的·OH的浓度就会增加,从而提高了甲基橙的脱色速率。同时,由于H2O2也会和系统中存在的·OH反应(如反应5),因此,当H2O2的浓度从1.2升高到2.0时,甲基橙的去除率并没有明显变化。

  

3 不同的H2O2初始投加量对甲基橙降解的影响

H2O2+·OH →HO2·+H2O

(5)

3.4 不同的反应温度对降解的影响

主要仪器有:722光栅分光光度计(上海分析仪器厂),PHS 25型酸度计(上海雷磁仪器厂),电热恒温鼓风干燥箱DHG-9246A(上海精宏实验设备有限公司),DF-101S集热式磁力加热搅拌器(大连科锐生物工程有限公司);主要试剂有甲基橙、过氧化氢(H2O2,质量分数30%)、硫酸亚铁铵、氯化氢、氢氧化钠,均为分析纯。实验中均用超纯水(18.2 MΩ·cm)配制溶液和进行反应。

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4 不同的反应温度对Fenton氧化降解甲基橙的影响

由图4可知,反应温度在20 ℃~30 ℃时,甲基橙的去除率较高,温度过高或过低都不利于反应的发生。当反应温度过高时,H2O2易挥发,导致氧化反应不能充分发生,因此去除率并没有升高;当反应温度过低时,催化剂的反应活性受到影响,反应不能快速发生。因此,可以认为Fenton降解甲基橙的反应能够在室温下反应。

4 结论

(1)本实验条件下的Fenton体系中,H2O2最适用量为1.2 mmol/L,Fe2+最适用量为0.4 mmol/L,pH值为3.0,甲基橙废水(30 mg/L)的降解率达到90 %以上。

(2) 升高反应温度,有利于Fenton体系中甲基橙的降解,但影响并不显著。

参考文献

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[3]Xiaoxia Ou, Chong Wang, Fengjie Zhang, Hongjie Sun, Wuyunna. Degradation of Methyl Violet by Fenton’s Reagent: Kinetic Modeling and Effects of Parameters[J]. Desalination and Water Treatment, 2013,51:13~15, 2536~2542.

[4]李章良,陈阿红,黄美华,等. UV-Fenton 法深度处理皮革废水[J].环境工程学报, 2013,7(1):181~184.

[5]李再兴,左剑恶,剧盼盼,等. Fenton 氧化法深度处理抗生素废水二级出水[J].环境工程学报, 2013,7(1):132~136.

[6]温丽华,李益民,刘 颖,等. 含铁的柱撑膨润土光催化降解甲基橙[J]. 化学学报, 2005, 63(1):55~59.

[7]王 敏,王里奥,张 文,等. FeVO4光催化剂降解甲基橙研究[J]. 功能材料, 2009,40(2):201~204.

[8]钱光磊,谢陈鑫,滕厚开,等. SBR 实现选择性硝化过程及动力学研究[J]. 环境科学学报,2016,36(7):2422~2427.

[9]闫 巍,余智勇,田江南,等. Fe3O4-膨润土作为电Fenton催化剂用于降解橙黄[J]. 工业水处理, 2018, 38(2):40~43.

[10]欧晓霞, 张凤杰, 王 崇.光/Fenton体系氧化降解水中孔雀石绿的研究[J]. 大连民族学院学报,2013,15(1):8~11.

 
孟宁,欧晓霞,秦雷云,何雪平,崔子硕,王驭晗
《绿色科技》 2018年第08期
《绿色科技》2018年第08期文献

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