Fenton氧化技术处理含苯和苯乙烯废水的研究

闫 硕，彭举威，巴 琦

（吉林建筑大学，长春 130118）

近年来，苯和苯乙烯的用量不断上升，其作为重要的生产原料，大量应用于化工行业。很多化工厂产生的废水含有大量的苯和苯乙烯，造成严重污染。如不能将废水中的苯和苯乙烯有效去除，将对生态系统和人体健康构成威胁。

1 处理工艺的选择

目前，苯和苯乙烯的处理方法主要有化学法、物理法、生物法和协同处理法。物理法主要有吸附和膜分离等方法，不能深度降解废水中的污染物；生物法包括活性污泥法和生物膜法，虽然可以去除废水中的一些有机物，但反应周期长。因此，传统的工艺不能有效、经济地去除化工废水中有毒有害的有机物。高级氧化工艺（Advanced Oxidation Process，简称AOPs）是处理有毒污染物的技术，能够无选择性地氧化有机物，所以大多数AOPs 工艺可用于降解废水中有毒有害的物质。

Fenton 氧化技术作为高级氧化工艺的一种，利用Fe和H0之间的链反应催化生成羟基自由基（·OH），·OH 属于强氧化性物质，能氧化各种有毒和难降解的有机化合物，可有效地去除污染物，适用于处理难生物降解的有机废水。Fenton 氧化技术不产生二次污染，反应迅速，不仅能够对化工废水进行预处理，还能够深度处理化工废水。本文主要通过对比H0的投加量、铁盐的投加量、pH 以及反应时间对处理效果的影响，确定Fenton 氧化反应最适宜的条件。

2 试验部分

2.1 试验药品及仪器

试验药品有苯和苯乙烯溶液、七水合硫酸亚铁（FeSO·7HO）、双氧水（30%）、硫酸和氢氧化钠溶液。试验仪器有磁力搅拌器、安捷伦7820A、TOC 测定仪。

2.2 试验过程

取适量的苯和苯乙烯置于1 L 烧杯中，然后加入去离子水，搅拌、密闭，得到含苯和苯乙烯的废水。利用硫酸将废水pH 调至试验所需，加入FeSO·7HO，用磁力搅拌器进行搅拌，待FeSO·7HO 全部溶解之后加入适量的双氧水。反应一定时间后，用氢氧化钠溶液调节pH 为7 ～8，静置1 h，取上层清液，对氧化后的废水进行测定分析。

3 试验结果与影响因素分析

芬顿能够有效去除水中难降解的有毒有害物质，但反应过程受HO用量、Fe投加量、pH 以及反应时间的影响。模拟废水中，苯的含量为480 mg/L，苯乙烯的含量为480 mg/L，TOC 为1 130 mg/L。

3.1 Fe2+投加量对处理效果的影响

Fe作为催化剂存在于反应的过程中，催化HO产生·OH，因此Fe的浓度对反应具有重要的影响。调节模拟废水的pH=3，加入HO2 mL，反应时间3 h。设定（Fe）∶（HO）为1∶5、1∶6、1∶7、1 ∶8、1 ∶9、1 ∶10、1 ∶11 和1 ∶12，测定不同Fe投加量下氧化出水中苯、苯乙烯和TOC的含量，对比处理效果，如图1 所示。

图1 n（Fe2+）∶n（H2O2）对处理效果的影响

由图1 可见，随着Fe浓度的逐渐下降，苯、苯乙烯和TOC 的去除率基本维持稳定，苯和苯乙烯的去除率均在90%以上，TOC 的去除率在85%以上。但（Fe）∶（HO）下降到1 ∶9 后，苯、苯乙烯以及TOC 的处理效率开始明显下降。在Fe浓度高时，H0产生的·OH 多，能够氧化水中的污染物，所以苯、苯乙烯和TOC 的去除率高。当Fe浓度过低时，Fe不能有效地保证催化反应的进行，此时产生的·OH 过低，导致处理效果下降。过低的Fe浓度导致处理效果不佳，而较高的Fe浓度会增加处理废水的成本。因此，对于含苯400 mg/L、苯乙烯400 mg/L 的废水，最适宜的（Fe）∶（HO）=1 ∶9。

3.2 H2O2 投加量对处理效果的影响

HO在反应的过程中作为氧化剂存在，产生·OH，氧化废水中的有机物。因此，HO投加量对于反应至关重要。控制模拟废水的pH=3，（Fe）∶（HO）=1 ∶9，反应时间为3 h。分别在加入HO为1 mL、2 mL、3 mL 和4 mL 的情况下测定废水中苯、苯乙烯和TOC 的含量，对比处理效果，如图2 所示。

图2 H2O2 投加量对处理效果的影响

由图2 可见，随着HO的投加量不断增加，处理效率不断增加。当HO投加量为2 mL 时，苯、苯乙烯和TOC 的处理效率均达到最大；当HO投加量超过3 mL 时，苯、苯乙烯和TOC 的处理效率均明显下降。随着HO的投加量增加，产生的·OH 自由基增加，但是当HO的投加量增加到一定程度后，HO就会进行无效分解产生O，产生·OH 的量减少，处理效率下降。过量的HO会将Fe氧化成Fe，降低了催化剂的量，处理效率下降。因此，对于含苯400 mg/L、苯乙烯400 mg/L 的废水，最适宜的HO投加量为2 mL。

3.3 不同pH 对处理效果的影响

芬顿反应适合在酸性条件下发生，中性或者碱性环境均不利于反应的进行，因此，要确定最适宜的反应pH。为研究不同pH 对处理效果的影响，控制模拟废水的（Fe）∶（HO）=1 ∶9，HO投加量为2 mL，反应时间为3 h。在pH 为2、3、4 和5 的情况下，测定废水中苯、苯乙烯和TOC 的量，对比处理效果，如图3 所示。

图3 不同pH 对处理效果的影响

由图3 可见，随着H的浓度不断增加，苯、苯乙烯和TOC 的去除效率呈先增加后下降的趋势，在pH 为3 时，苯、苯乙烯和TOC 的处理效率达到最大。pH 大于3 时，苯、苯乙烯和TOC 的处理效率均明显下降。Fenton 试剂是在酸性条件下反应的，在中性和碱性环境中，Fe不能催化氧化HO产生·OH，并且产生Fe（OH）沉淀。因此，过低的H浓度不能有效处理废水。当溶液中H浓度过高时，Fe不能顺利被还原为Fe，催化反应受阻。所以，对于含苯400 mg/L、苯乙烯400 mg/L 的废水，最适宜的pH 为3。3.4 不同反应时间对废水处理效果的影响

为研究不同反应时间对处理效果的影响，控制模拟废水的pH=3，（Fe）∶（HO）=1 ∶9，HO投加量为2 mL。在反应时间为1 h、2 h、3 h 和4 h 的情况下，测定废水中苯、苯乙烯和TOC 的含量，对比处理效果，如图4 所示。

图4 反应时间对废水处理效果的影响

由图4 可见，苯、苯乙烯和TOC 的处理效率随着时间的增加不断上升，在反应2 h 后，处理效率趋于稳定，此时处理效率达到最大值。

试验发现，对于Fenton 氧化反应，在适宜的环境下，苯的去效率大于苯乙烯。陈笑笑等人证明，当·OH 作用于稳定性较强的苯环时，与氢原子抽提途径相比，·OH 的加成反应具有更低的能量。因此，笔者认为，苯的反应速率大于苯乙烯是由于·OH作用于苯时只需要破坏苯环，但是对于苯乙烯，既要破坏苯环，还要破坏乙烯双键，所以处理效果 较差。

4 结论

试验研究表明，对于含苯400 mg/L、苯乙烯400 mg/L 的废水，在HO投加量2 mL、（Fe）∶（HO）= 1 ∶9 且反应时间2 h 的情况下，处理效果最好。其中，苯和苯乙烯的去除效率均能超过90%，TOC 的去除率能超过85%。Fenton 氧化技术能够有效氧化废水中的苯和苯乙烯，氧化后的废水经传统的生物处理工艺进一步处理，可大大提高废水处理效果。