Fenton试剂氧化法对酸性红18染料溶液降解工艺的研究

陈 丽,吴 玲,姚 平,陶 然,钱建栋,宗 平

(1.苏州经贸职业技术学院，江苏苏州 215009；2.西安交通大学苏州研究院，西安交通大学，江苏苏州 215123)

Fenton试剂氧化法对酸性红18染料溶液降解工艺的研究

陈 丽1,吴 玲1,姚 平1,陶 然1,钱建栋1,宗 平2

(1.苏州经贸职业技术学院，江苏苏州 215009；2.西安交通大学苏州研究院，西安交通大学，江苏苏州 215123)

染色废水具有浓度高、色泽深、酸碱性强等特点，因此使用传统方法处理染色废水效果有限。选用Fenton试剂氧化法对AR18染料溶液进行氧化降解，探讨了各种工艺条件对氧化反应的影响。经过实验结果分析讨论得知酸性红18染料溶液氧化降解的最佳工艺条件是：反应温度为室温，反应时间为40分钟，溶液pH值为3～5，而Fe2+和H2O2的摩尔浓度比为1:5。经过氧化降解后，酸性红18染料溶液的色度基本全部去除，COD值的下降幅度也在80%以上。

Fenton试剂 酸性红18染料溶液 氧化降解 工艺优化

0 前言

印染废水是一种含有高浓度有机物的工业废水，不仅化学需氧量很高而且其中含有很多有机物质，并且印染废水具有成分复杂、浓度高、色泽深、酸碱性强等特点。未经降解处理的印染废水排放到河流中会对环境造成巨大的伤害[1]。目前印染废水的主要处理方法有物理法、生物处理法和化学法[2]，而Fenton氧化法是化学法中的一种高级氧化法，不仅设备简单操作方便，而且还对废水中难降解的有机污染物具有很强的氧化分解能力且降解效果显著[3-4]。本论文主要讨论Fenton试剂氧化法对酸性红18染料溶液的氧化降解，讨论各种工艺条件对去除效率的影响，优化工艺条件。

1 实验材料与仪器

硫酸亚铁七水化合物(99.95%，阿拉丁试剂)、NaOH(99.99%，阿拉丁试剂)、30%H2O2(国药集团)、98%硫酸(国药集团)、蒸馏水等。

本论文所用实验仪器设备如表1所示。

表1 实验所用仪器一览表

2 结果与讨论

2.1 反应温度的影响

准确量取酸性红18(Acid Red 18，AR18)染料溶液各100mL(100 mg/L)置于于六个250mL的锥形瓶中，分别测量初始AR18染料的pH值，并调节AR18染料溶液的pH值至3.00左右，加入一定量的Fenton试剂(Fe2+和H2O2的摩尔浓度比为1:5)，最后将六组溶液分别置于磁力搅拌器中反应40分钟，六组溶液反应温度分别为23℃(室温)，40℃，50℃，60℃，70℃和90℃，探讨反应温度对染料氧化降解效果的影响，从而确定最佳反应温度。

图1 氧化降解前后AR18染料溶液的颜色变化图

(1-未处理AR18溶液 2-23℃ 3-40℃ 4-50℃ 5-60℃ 6-70℃ 7-80℃)

经过Fenton试剂处理后，AR18染料溶液反应前后的溶液颜色变化图如图1所示。从图1可以看出，1号比色皿中未处理AR18染料溶液为亮红色，经过Fenton试剂氧化降解后AR18溶液颜色明显褪去，反应后AR18染料溶液基本呈现透明状态。因此，从色度去除的角度考虑，当反应温度为40℃时就可达到最佳效果。为了进一步的确定AR18染料的氧化降解程度，分别测定了1号和3号样品的紫外—可见吸收光谱曲线，所得实验结果如图2所示。

图2 AR18染料溶液氧化降解前后的紫外—可见吸收光谱曲线

(A：未处理AR18染料溶液，B：Fenton试剂氧化降解后，反应温度为40℃)

由图2中可以看出，AR18染料溶液在506nm(λmax)处有一明显吸收峰，该吸收峰为AR18的特征吸收峰，并且在最大吸收波长条件下AR18染料溶液的吸光度为1.177。经过Fenton试剂氧化处理后，AR18染料溶液在λmax波长下的吸光度下降至0.028，吸光度的下降百分比达到97.6%，取得很好的处理效果。同时，本论文还先后测定了未处理AR18染料溶液和Fenton试剂氧化降解处理后的染料溶液的COD值，所得实验结果如表2所示。从表2中可以看到，AR18初始溶液(100mg/L)的COD值为79.9，经过Fenton试剂氧化降解后，COD值普遍降解至较低的水平，最大去除效率达到84%，降解效果明显。从表2中还可以发现，在Fenton试剂氧化降解的过程中，随着反应温度的增加，COD的去除率呈现出先增加再下降的趋势，这与Fenton试剂反应时溶液的温度有关的。就Fenton试剂反应体系而言，适当提高温度可以激活自由基(-OH)，但温度过高H2O2会被氧化分解成O2和H2O，从而影响反应的效果。

表2 温度对AR18染料溶液COD降解率的影响

因此，综合考虑去除效率和节约能源两方面的因素，并且考虑到实际的印染废水在排放到废水池中时本身会带有一定的温度，因此选择不对废水溶液进行加热即在实际接收温度条件下处理印染废水就可以达到较好的去除效率，而在实验室进行的实验，Fenton试剂的最佳反应温度可选定为室温。

2.2 反应时间的影响

图3 氧化降解前后AR18染料溶液的颜色变化图

(1-未处理AR18溶液 2-30min 3-40min 4-50min 5-60min 6-70min)

在Fenton试剂氧化反应中，反应时间也是影响氧化降解效果的重要因素。分别量取酸性红AR18溶液(100mg/L)100mL于5个250mL锥形瓶中，测量初始染料溶液的pH值，然后滴加H2SO4调节溶液pH值至3左右，加入一定量的Fenton试剂(Fe2+和H2O2的摩尔浓度比为1:5)，将5组溶液置于磁力搅拌器上进行反应，反应温度为室温，反应时间分别为30、40、50、60和70分钟，探讨反应时间对AR18染料溶液氧化降解效率的影响。经过Fenton试剂作用后，AR18溶液氧化降解前后的颜色变化情况如图3所示。

图4 AR18染料溶液氧化降解前后的紫外-可见吸收光谱曲线

(A：未处理AR18染料溶液，B：Fenton试剂氧化降解后，反应时间为40min)

由图3可以看出，经氧化降解后AR18溶液的颜色基本呈透明的状态，色度的去处效果明显。为了进一步的确定AR18染料的氧化降解程度，分别测定了1号和3样品的紫外—可见吸收光谱曲线，所得实验结果如图4所示。由图4可知，经过Fenton试剂氧化处理后，AR18染料溶液在506nm(λmax)处的吸收峰基本消失，表明染料AR18染料结构被破坏，取得了良好的氧化降解效果。

为了进一步表征AR18的氧化降解效率，本论文还测定了氧化降解前后AR18溶液的COD，所得实验结果如表3所示。从表3中可以看到，随着反应时间的增加，COD的去除效率呈现逐渐递增的结果并趋于稳定。为了节约时间并且保证AR18的去除效率，选用40分钟左右的反应时间是比较适宜的。当反应时间为40分钟时，AR18染料溶液COD的去除效率为85.3%，能够满足染料废水处理的要求。

表3 反应时间对AR18染料溶液COD降解程度的影响

2.3 溶液pH值的影响

为了进一步优化反应条件，本论文还讨论了AR18染料溶液pH值对AR18氧化降解的影响。根据前期讨论结果，设定Fenton试剂氧化降解的反应时间为40min，反应温度为室温，Fe2+和H2O2的摩尔浓度比为1:5，使用H2SO4或NaOH调节AR18染料溶液的pH值分别为1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5和9.5，经Fenton试剂处理后，AR18染料溶液氧化降解前后的溶液颜色变化如图5所示。从图5中可以看到，经过Fenton试剂氧化处理后，AR18溶液的颜色褪去明显，只有2号和10号样略带一点颜色，但并不明显。

图5 氧化降解前后AR18染料溶液的颜色变化图

(1-未处理AR18溶液 2-pH=1.5 3-pH=2.5 4-pH=3.5 5-pH=4.5 6-pH=5.5 7-pH=6.5 8-pH=7.5 9-pH=8.5 10-pH=9.5)

为了进一步分析AR18氧化降解程度，分别测定了1号和3号样的紫外—可见吸收光谱曲线及1-10样的COD值，所得实验结果如图6和表4所示。

图6 AR18染料溶液氧化降解前后的紫外—可见吸收光谱曲线

(A：未处理AR18染料溶液，B：Fenton试剂氧化降解后，溶液pH值为2.5)

从图6中可以看到，经过Fenton试剂氧化降解后，AR18染料的特征吸收峰得到了全部的去除，染料的降解效果还是比较明显的。

表4 pH值对AR18染料溶液COD降解程度的影响

而从表4中可以看到，强酸性条件下COD的下降程度最为明显，提高溶液的pH值不利于Fenton试剂的氧化作用。因为Fenton试剂是在酸性条件下发生作用的，在碱性和中性的环境中Fe2+不能催化H2O2生成自由基·OH。并且溶液pH值升高会抑制自由基·OH的产生而且也会使得溶液中的Fe2+以沉淀的形式存在，从而失去催化作用。考虑到工厂废水处理的实际，大量加酸来调节pH会增加废水处理的成本，所以废水溶液的pH值在3～5之间都是可以接受的。

2.4 Fe2+与H2O2浓度比的影响

图7 氧化降解前后AR18染料溶液的颜色变化图

(1-未处理AR18溶液 2-1:1 3-1:4 4-1:6 5-1:8 6-1:10)

由于Fenton试剂由二价铁和双氧水组成，因此二价铁和双氧水之间的浓度比是影响Fenton试剂的又一重要参数。本论文选用了二价铁和双氧水的摩尔浓度比分别为1:1、1:4、1:6、1:8和1:10，反应温度为室温，溶液pH值调节至3，而反应时间为40分钟。上页图7为氧化降解前后AR18染料溶液的颜色变化图。从图7中可以看到，不管在何种工艺条件下，AR18染料溶液的颜色去除效果是相当明显的，氧化降解后的AR染料溶液的颜色基本呈现无色透明的状态。选取1号和2号样进行了紫外—可见吸收光谱曲线的测定，所得实验结果如图8所示。从图8中可以明显看到经过氧化降解后，AR18染料溶液的特征吸收峰消失了，这说明AR18染料的结构得到了极大的破坏。

图8 AR18染料溶液氧化降解前后的紫外—可见吸收光谱曲线

(A：未处理AR18染料溶液，B：Fenton试剂氧化降解后，Fe2+和H2O2的摩尔浓度比为1:1)

表5 H2O2和Fe2+的摩尔浓度比对AR18染料溶液COD降解程度的影响

编号初始pH值调节后pH值Fe2+和H2O2的摩尔浓度比COD去除率16.077—79.9—26.1243.0561:118.976.3%36.1782.9361:418.077.4%45.4163.0371:615.081.2%55.4373.0291:817.777.8%66.6923.0281:1019.176.3%

3 结论

本论文讨论了Fenton试剂氧化法对AR18染料溶液的氧化降解，探讨了各种工艺条件对氧化反应的影响。经过实验结果分析讨论得知Fenton试剂氧化法对酸性红18染料溶液降解的最佳工艺条件是：反应温度为室温，反应时间为40分钟，溶液pH值为3～5，而Fe2+和H2O2的摩尔浓度比为1:5。经过氧化降解后，酸性红18染料溶液的色度基本全部去除，COD值的下降幅度也在80%以上。

[1] 高武龙，王佳. 印染废水特点及其深度处理回用技术[J]. 广东化工，2013，14:144-145.

[2] 李文燕，刘姝瑞，张明宇，等.印染废水处理技术的研究进展[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(4)：142-146.

[3] 武耀锋. Fenton试剂氧化法处理印染废水实验研究[J]. 再生资源与循环经济，2014，7(8)：27-30.

[4] 李新，刘勇弟，孙贤波，等. 印染废水生化出水中各类有机物在Fenton氧化过程中的去除效果[J]. 环境工程学报，2012(11):3953-3958.

2017-05-05

2016年江苏省大学生创新创业训练计划项目；苏州市重点实验室项目(SZS201513)；苏州经贸职业技术学院院级科研项目(KY-ZR1612)。

姚平(1981-)，男，硕士，讲师。

TS199

A

1008-5580(2017)04-0118-05