超声波强化Fenton试剂法降解对硝基苯酚废水

逯延军，赵平歌，董艳慧

(西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021)

硝基芳香族化合物被广泛用于医药、化纤和橡胶等领域[1-2]。但其在环境中很难降解，且具有致癌、致畸、致突变的三致作用[3-4]。

Fenton(H2O2/Fe2+)试剂具有很强的氧化性[5-6]。研究表明，Fenton试剂可被用于很好地降解硝基芳香族化合物[7-8]。超声波技术是一种高效、清洁的新型水处理技术，具有良好的应用前景[9]。超声波通过空化效应会产生高温高压的极端物理环境，在此条件下，空化气泡中的H2O可发生裂解产生羟基自由基(OH·)氧化降解有机物[10-11]。

本文将超声波强化Fenton试剂法用于降解对硝基苯酚(PNP)。这样超声空化产生的特殊反应环境得以充分利用，提高了Fenton试剂对污染物的降解效率。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对硝基苯、过氧化氢、硫酸亚铁均为分析纯。

UV754N紫外可见分光光度计。

1.2 实验方法

反应装置图见图1。主体为小型探头式反应器，超声波以辐射的方式加入。探头垂直浸入溶液中，深度大约为1 cm。通过改变转换器的电功率调节声能密度，通过恒温水浴来控制温度。单独进行Fenton试剂法降解实验时，将超声探头换为电动搅拌器。

将100 mL浓度为150 mg/L的对硝基苯酚模拟废水加入到反应装置中，超声探头插入到液面下约1 cm处，加入Fenton试剂和超声波辐射的条件下进行反应，反应温度为25 ℃。间隔一段时间取样，采用紫外可见分光光度法测定PNP的浓度。

实验的初始条件为：pH=4，[H2O2]=300 mg/L，[Fe2+]=15 mg/L，PNP=150 mg/L。

图1 反应装置图Fig.1 Diagram of experimental reactor1.超声波发生器；2.能量转换器；3.探头；4.溶液；5.水浴；6.温度计

2 结果与讨论

2.1 两种方法对PNP的降解对比

在相同实验条件下，初始pH=4，[H2O2]=300 mg/L，[Fe2+]=15 mg/L，Fenton试剂、超声波强化Fenton试剂法(声强为15 W/cm2)对PNP的降解效果，见图2。

图2 两种方法对PNP的降解对比图Fig.2 Changes of PNP degradation with Fenton and US/Fenton

由图2可知，反应120 min时，Fenton试剂、超声波强化Fenton试剂法对PNP的降解率分别为57.3%，81.3%，降解率提高了41.9%。这是由于把Fe2+加入到反应体系中时，会发生如下的反应：

Fe2++H2O2→Fe3++OH·+OH-

超声波可加快Fe2+向Fe3+的转化，反应会向右进行，Fe2+可继续催化分解H2O2，因此会产生更多的OH·自由基。这些自由基可与PNP直接发生氧化反应，另外也可与苯环结构发生加成反应，破坏苯环，形成脂肪族化合物[3]。US/Fenton联用技术具有很好的协同作用。

2.2 声强对US/Fenton法降解PNP的影响

超声波发生器声强对US/Fenton法降解PNP的影响见图3。

由图3可知，US/Fenton法对PNP的降解率随着声强的增大而升高，然而，声强过大时，空化泡在声波的负相增长较大，导致空化泡的崩溃不充分，从而形成声屏蔽，这样超声能的利用率就会下降。声强为20 W/cm2时，其对PNP的降解率较声强为15 W/cm2时提高不大，且超声发生器已发热，探头表面存在空化腐蚀现象。因此，本实验采用15 W/cm2的声强。

图3 声强对US/Fenton法降解PNP的影响Fig.3 Effect of sound intensity on PNP degradationby US/Fenton method初始pH为4，[H2O2]=300 mg/L，[Fe2+]=15 mg/L

2.3 溶液初始pH对US/Fenton法降解PNP的影响

用HCl和NaOH调节溶液的初始pH，研究pH值对US/Fenton法降解PNP的影响，结果见图4。

图4 溶液初始pH对US/Fenton法降解PNP的影响Fig.4 Effect of initial pH of solution on PNPdegradation by US/Fenton method声强为15 W/cm2，[H2O2]=300 mg/L，[Fe2+]=15 mg/L

由图4可知，pH越低，US/Fenton法对PNP的降解效果越好。由声化学可知，空化气泡具有憎水性。而溶液初始pH值会影响PNP的赋存状态。在酸性条件下，PNP大部分呈分子态，此时PNP具有憎水性，可聚集在空化泡表面层，并挥发进入到空化气泡内，发生化学反应；在碱性条件下，PNP大多呈离子态，此时PNP具有亲水性，不易聚集在空化气泡表面层，不易发生化学反应。此外，酸性条件也可以提高Fenton试剂中H2O2的利用率。因此，较低的pH值更利于PNP的降解。

2.4 H2O2浓度对US/Fenton法降解PNP的影响

H2O2浓度对US/Fenton法降解PNP的影响见图5。

图5 H2O2浓度对US/Fenton法降解PNP的影响Fig.5 Effect of H2O2 concentration on PNPdegradation by US/Fenton methodpH=4，声强为15 W/cm2，[Fe2+]=15 mg/L

由图5可知，PNP的降解率随H2O2浓度的升高而增加，这是因为超声波可使H2O2在空化气泡或边界层处发生热分解反应。

H2O2→OH·+ OH·

H2O2的量会对反应体系中羟基自由基(OH·)的数量产生直接影响，从而影响PNP的降解反应。随着H2O2浓度的增加，反应体系中会产生更多的OH·自由基，有利于对PNP的降解。

3 结论

超声波对Fenton试剂法降解对硝基苯酚(PNP)有显著的强化作用。在声强为15 W/cm2、pH=4、[H2O2]=300 mg/L 、[Fe2+]=15 mg/L的条件下反应120 min，US/Fenton法对PNP的降解率达到81.3%。在充分利用了超声空化产生的特殊反应环境的同时，提高了Fenton试剂对PNP的降解效果。