芬顿试剂氧化处理苯和甲苯污染地下水的试验研究

杜威，苏燕，袁浩巍，桑志伟，陈文倩

摘要：地下水受到苯与甲苯等苯系物污染，会对人体健康造成巨大伤害。本试验利用芬顿试剂氧化处理苯和甲苯污染地下水，首先分析氧化还原电位（ORP）和pH随反应时间的变化，然后分别改变H2O2与苯系物、Fe2+的摩尔比，研究其对修复效果的影响。试验结果表明，H2O2与苯系物的摩尔比为10∶1，H2O2与Fe2+的摩尔比为2∶1时，苯和甲苯污染地下水修复效果最佳。芬顿试剂对苯和甲苯污染地下水有较好的修复效果，未来可以应用在实际污染场地地下水修复中。

关键词：污染地下水；芬顿试剂；氧化处理；苯；甲苯

中图分类号：X523 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2023）11-000-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.11.003

Experimental study on Fenton reagent oxidation treatment of benzene and toluene contaminated groundwater

DU Wei1， SU Yan2， YUAN Haowei3， SANG Zhiwei4， CHEN Wenqian1

（1. Suzhou Qianxing Environmental Engineering Co.， Ltd.， Taicang 215431， China;

2. Shenyang Academy of Environmental Sciences， Shenyang 110016， China;

3. Institute of Disaster Prevention， Langfang 065201， China;

4. Suzhou Bird Environmental Development Co.， Ltd.， Taicang 215431， China）

Abstract： Groundwater is polluted by benzene derivatives such as benzene and toluene， which can cause significant harm to human health. This experiment uses Fenton reagent to oxidize groundwater contaminated with benzene and toluene， firstly analyzes the changes in oxidation-reduction potential （ORP） and pH with reaction time， and then changes the molar ratios of H2O2 to benzene derivatives and Fe2+ respectively to study their impact on the remediation effect. The experimental results show that when the molar ratio of H2O2 to benzene derivatives is 10∶1， and the molar ratio of H2O2 to Fe2+ is 2∶1， the remediation effect of benzene and toluene contaminated groundwater is the best. Fenton reagent has a good remediation effect on groundwater contaminated with benzene and toluene， and can be applied in actual remediation of groundwater in contaminated sites in the future.

Keywords： contaminated groundwater; Fenton reagent; oxidation treatment; benzene; toluene

地下水污染中有機污染占比较大，有机污染中的苯系物污染十分常见。调查发现，华北平原地下水中甲苯超标6.94%，四氯乙烯超标6.53%，苯超标5.31%[1]。苯系物会对人体健康造成巨大的伤害，此类污染物已经引起大量国内外专家学者的关注。芬顿氧化法是一种高级氧化工艺，芬顿试剂广泛应用于地下水和土壤修复中[2]。芬顿试剂具有强氧化性，其成分中的Fe2+催化H2O2形成羟基自由基（·OH），羟基自由基具有极强的氧化性，可以氧化地下水中的绝大多数有机物[3]。1894年，Fenton[4]首先发现芬顿试剂，并将其应用于氧化苹果酸。1964年，Eisenhauer[5]首次将芬顿试剂应用于苯酚和烷基苯废水的处理中，并研究其修复效果。杨玲等[6]研究芬顿氧化法和类芬顿氧化法处理地下水中苯系物的可行性，并分析其修复机理。

1 试验流程

1.1 试验材料和仪器

抽取污染场地中地下水，测定其苯系物浓度。供试地下水中，苯的初始浓度为40.61 mg/L，甲苯的初始浓度为38.34 mg/L。主要试剂有3种。一是28种挥发性有机物（VOC）混标样品，产品编号为CDAA-M-629004-AD-1 mL，厂商为上海安谱实验科技股份有限公司，规格为1 000 mg/L。二是浓度3%的H2O2，购自山东利尔康医疗科技股份有限公司。三是FeSO4·7H2O（分析纯），购自天津市永大化学试剂有限公司。试验仪器有吹扫捕集器、气质联用仪和离子源（电子轰击源）。

1.2 试验方法

苯和甲苯的测定采用《水质 挥发性有机物的测定 吹扫捕集/气相色谱-质谱法》（HJ 639—2012）。

首先，芬顿试剂氧化苯系物的过程中，氧化还原电位（ORP）和pH也会发生巨大变化。为了明确变化规律，取1个容量1 L的烧杯，加入500 mL污染场地中供试地下水，将H2O2与苯系物的摩尔比控制在5∶1，将H2O2与Fe2+的摩尔比控制在2∶1，加入浓度3%的H2O2和FeSO4·7H2O，在反应时间分别为1 min、2 min、3 min、4 min、5 min和6 min的条件下测定混合溶液ORP和pH。其次，芬顿试剂中双氧水和二价铁的配比会直接影响修复效果。取5个容量1 L的烧杯，分别加入500 mL污染场地中供试地下水，将H2O2与苯系物的摩尔比控制在5∶1，将H2O2与Fe2+的摩尔比分别控制在2∶1、4∶1、6∶1、8∶1和10∶1，向烧杯中加入浓度3%的H2O2和FeSO4·7H2O，搅拌12 h后取样监测，测定其苯系物去除率变化。最后，芬顿试剂中双氧水的添加量会直接影响修复效果。取5个容量1 L的烧杯，分别加入500 mL污染场地中供试地下水，H2O2与Fe2+的摩尔比控制在2∶1，H2O2与苯系物的摩尔比分别控制在5∶1、10∶1、15∶1、20∶1和25∶1，向烧杯中加入浓度3%的H2O2和FeSO4·7H2O，攪拌12 h后取样监测，测定其苯系物浓度变化。

2 试验结果分析

2.1 pH及ORP随反应时间的变化

试验过程中，烧杯内混合溶液呈黄色，底部存在少量沉淀物质，Fe2+浓度越高，混合溶液颜色越深。H2O2与苯系物的摩尔比为5∶1，H2O2与Fe2+的摩尔比为2∶1时，ORP和pH随反应时间的变化分别如图1和图2所示。H2O2与苯系物的摩尔比为5∶1，H2O2与Fe2+的摩尔比为2∶1时，加入芬顿试剂之前，地下水ORP为-134 mV，pH为6.85，随着反应的进行，混合溶液的ORP增加至457 mV，整个体系处于一种强氧化状态，同时，pH快速下降至3.84，酸性条件可以在很大程度上抑制体系中Fe2+和Fe3+的沉淀。

2.2 苯系物去除率随H2O2/Fe2+（摩尔比）的变化

H2O2和苯系物的摩尔比（5∶1）保持不变，改变H2O2和Fe2+的摩尔比。反应12 h后，各苯系物去除率随H2O2/Fe2+的变化如图3所示。当H2O2与Fe2+的摩尔比变大时，苯系物去除率快速下降。经分析，随着芬顿试剂中Fe2+浓度的变小，催化作用逐渐下降，这将影响苯和甲苯的去除效果。当H2O2与Fe2+的摩尔比分别为8∶1、10∶1时，Fe2+浓度太低，无法提供足够的催化剂，修复效果变差。

2.3 苯系物浓度随H2O2/苯系物（摩尔比）的变化

H2O2和Fe2+的摩尔比（2∶1）保持不变，改变H2O2和苯系物的摩尔比。反应12 h后，各苯系物浓度随H2O2/苯系物的变化如表1所示。H2O2与Fe2+的摩尔比固定时，H2O2与苯系物的摩尔比越大，修复效果越好。H2O2与苯系物的摩尔比为10∶1时，反应后，苯和甲苯浓度已远远低于修复目标值，但H2O2与苯系物的摩尔比分别为15∶1、20∶1和25∶1时，氧化剂H2O2浓度较大且过量，反应过程中会产生过量的羟基自由基，所以去除效果更好，去除率均已达到100%。

3 结论

本试验采用芬顿氧化法，通过投加芬顿试剂氧化处理苯和甲苯污染地下水。芬顿试剂加入苯和甲苯污染地下水时，ORP快速增加，整个体系均为强氧化状态，pH逐渐下降，最终稳定在3.84左右。经过多项对比试验，H2O2与苯系物的摩尔比为10∶1，H2O2与Fe2+的摩尔比为2∶1时，试验条件既可以满足修复效果要求，又可以节约修复成本。

参考文献

1 石建省，王 昭，张兆吉，等.华北平原地下水有机污染特征初步分析[J].生态环境学报，2011（11）：1695-1699.

2 Yap C L，Gan S，Ng H K.Fenton based remediation of polycyclic aromatic hydrocarbons-contaminated soils[J].Chemosphere，2011（11）：1414-1430.

3 杨 玲，赵勇胜，孙 威，等.Fenton试剂快速氧化处理地下水中BTEX可行性研究[J].水文地质工程地质，2010（6）：107-111.

4 Fenton H J H.Oxidation of tartaric acid in presence of iron[J].Journal of the Chemical Society，1894（65）：899-910.

5 Eisenhauer H R.Oxidation of phenolic wastes[J].Wiley，1964（9）：1116-1128.

6 杨 玲，赵勇胜，马百文，等.Fenton和类Fenton氧化处理地下水中BTEX及其动力学[J].环境工程学报，2011（5）：992-996.