紫外线强化Fenton试剂法处理苯酚废水的试验研究

白靖铭

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

苯酚废水难降解、毒性大[1]，目前常用的处理方法有物理法[2-4]、生物法[5]和化学法[6-8]。物理法和生物法均存在处理时间周期长、效果不佳等缺点，化学法中的Fenton试剂法对于难降解的工业废水有较好的处理效果，但投药量大且成本高等不足限制了其应用和发展。紫外线强化Fenton法是将紫外线和Fenton试剂法两种技术相结合[9]，能更好地去除有机物，在减少药剂投加量的同时提高去除率[10]。

1 紫外线强化对H2O2投加量的影响

在室温条件下，分别向7个烧杯中均匀加入400 mL试验水样(COD为470 mg/L)。调节pH值为3，随后向每个烧杯中投加500 mg FeSO4·7H2O，将其充分溶解后，再向烧杯中分别加入0.8，1.6，3.2，4.8，6.4，8和9.6 mL/L质量浓度为30%的H2O2(即分别为理论投加量Qth的0.25，0.5，1，1.5，2，2.5和3倍)。将烧杯放置在紫外光灯下1 cm处反应60 min后，关闭紫外光灯，调节溶液pH值至11，终止反应并静止至室温，取上清液测定COD，重复3次取平均值。试验过程中，注意观察反应溶液的颜色和状态。

从图1可以看出，采用紫外线强化Fenton试剂法处理苯酚废水，H2O2加入量小于1.5Qth(4.8 mL/L)时，去除率随投加量的增加上升幅度较大，直至COD去除率达到最佳值85.69%。继续增大H2O2投加量，COD反而有一定程度的下降。

图1 紫外线强化对H2O2投加量的影响Fig.1 Effect of UV on dosage of H2O2

这是因为，H2O2既可以分解为·OH以氧化去除有机物，又能消耗部分·OH导致处理效果下降。当H2O2加入量较低时，其在紫外线作用下分解生成·OH的量也较少，不利于苯酚的去除。随着投加量的上升，紫外光和Fe2+均促进了H2O2迅速分解，COD去除率提高。但是在紫外光和Fe2+的作用下，H2O2可以在极短的时间内分解生成·OH。一方面，高浓度的H2O2与·OH进行反应，易生成氧化能力较弱的物质，导致氧化效率不断降低；另一方面，高浓度的·OH容易与未参加反应的·OH相互碰撞并发生自身的湮灭反应，减少·OH的量。相关反应如下：

H2O2+UV→2·OH

(1)

H2O2+·OH→HO2·+H2O

(2)

·OH+HO2·→H2O+O2↑

(3)

2·OH+2·OH→2H2O+O2↑

(4)

在H2O2投加均为2.0Qth的情况下，紫外线强化Fenton试剂法对苯酚废水的处理效果明显优于无紫外线时：此时，Fenton试剂法的COD去除率最佳，为74.96%；而紫外线强化Fenton试剂法的COD去除率可达到83.76%。这是因为紫外光和Fe2+对催化分解H2O2存在协同作用，使H2O2的分解速度大于简单的Fe2+或紫外线催化H2O2分解速率之和，加速了Fe2+与H2O2的反应，使其快速生成·OH，提高了H2O2的利用率并减少了H2O2的加入量，加速了反应的进行。

在相同的试验条件下，采用紫外线强化Fenton试剂法处理苯酚废水，H2O2投加量为1.0Qth(即3.2 mL/L)时的COD去除率为74.33%，接近2.0Qth投加量时无紫外线强化的处理效果。紫外线强化Fenton试剂法处理苯酚废水，不仅可以提高处理效果，而且还能节省H2O2的投加量，降低了处理成本。

2 紫外线强化对FeSO4·7H2O投加量的影响

在室温条件下，分别向7个烧杯中均匀加入400 mL试验水样(COD含量为471 mg/L)。调节水样的pH值至3，随后向每个烧杯中分别投加100，200，300，400，500，600和700 mg FeSO4·7H2O，待其充分溶解后，再向各个烧杯中加入6.4 mL/L质量浓度为30%的H2O2(即2.0Qth)进行试验，结果见图2。

图2 紫外线强化对FeSO4·7H2O投加量的影响Fig.2 Effect of UV on dosage of FeSO4·7H2O

采用紫外线强化Fenton试剂法处理苯酚废水时，COD去除率随FeSO4·7H2O投加量呈现先升高后降低的趋势。当FeSO4·7H2O投加量为1 g/L时，达到最佳去除率84.88%。继续提高加入量，去除率反而会下降。

分析认为，Fe2+在Fenton试剂法中起着催化H2O2和传递氧的作用，所以FeSO4·7H2O的加入量会影响整个反应的去除效果和反应速度。当FeSO4·7H2O投加量小于1 g/L时，紫外光和Fe2+催化H2O2产生·OH的量不足以使反应完全进行，因此COD去除率不高。进一步提高加入量，Fe3+在紫外线的光敏化作用和光脱羧作用下转化为Fe2+，并参与新一轮的Fenton反应，使反应循环进行。但FeSO4·7H2O投加量也不宜过大，因为当溶液中Fe2+浓度较高时，会使H2O2的分解速率过快，导致·OH还未来得及反应就发生了自身湮灭，减少了·OH的量，削弱了反应效果，相关反应如下：

Fe(OH)2++UV→Fe2++·OH

(5)

Fe(RCOO)2++UV→Fe2++·R+CO2

(6)

2·OH+2·OH→2H2O+O2↑

(7)

紫外线强化对FeSO4·7H2O加入量也有影响。在FeSO4·7H2O加入量均为1.25 mg/L的情况下，有紫外线强化对苯酚废水的处理效果要明显优于没有紫外线强化的反应。当FeSO4·7H2O加入量为1.25 g/L时，单独Fenton试剂法对COD的去除率最佳(73.87%)，而相同投加量下紫外线强化Fenton试剂法的COD去除率为82.98%。这是因为，在紫外线的光敏化作用和光脱羧作用下，由Fe3+水解生成Fe(OH)2+和羧酸铁络合物可以在紫外光的作用下分解为Fe2+和·OH，将Fe3+部分转化为Fe2+，并参加新一轮的Fenton反应，使反应循环进行。该反应不仅可以更充分利用Fe2+，还加快了H2O2的分解，并维护了Fe2+和Fe3+之间的浓度平衡，使反应可以持续进行。

紫外线可以加强Fenton试剂法对苯酚的去除效果，FeSO4·7H2O投加量为0.75 g/L时的去除率与单独Fenton试剂法下投加量为1.25 g/L去除率相当。这说明紫外线可以对Fenton试剂法产生强化作用，不但能加快Fe2+和Fe3+之间的转化循环，使溶液中的Fe2+与更多的H2O2反应，而且还提高了紫外光和H2O2的利用率，使其对有机物的处理效果更好。

3 结语

① 采用紫外线强化Fenton试剂法对苯酚废水进行处理，结果表明：对于COD浓度为470 mg/L的苯酚废水，在H2O2投加量为2.0Qth，FeSO4·7H2O投加量为1.25 g/L，pH值为3的条件下，反应60 min后COD去除率可达83.37%。

② 紫外线不但能强化Fenton试剂法对苯酚废水的处理效果，而且能节省H2O2的投加量，降低处理成本。