鐵炭法去除地下水中2,4—二氯酚的試驗研究

河南省環境保護科學研究院 丁 娜 王 哲 周 杰

鐵炭法去除地下水中2,4—二氯酚的試驗研究

河南省環境保護科學研究院 丁 娜 王 哲 周 杰

氯代酚類有機污染物是一種環境激素，被國家列為地下水中重點控制的污染物之一。長期飲用被氯酚污染的地下水，會引起頭暈、貧血、失眠等病癥。但是，由于氯酚類結構穩定且毒性較強，不適宜直接用生物法處理，而采用生化、化學處理工藝普遍存在降解周期長、效率低、費用高等缺點，在我國沒有得到普遍應用。鐵炭法是近30年發展起來的一種降解地下水中的2，4-二氯酚的電化學處理工藝，具有低能耗、清潔、高效等優點。

本文，筆者選取2，4-二氯酚為目標物質，通過批處理試驗來研究鐵炭混合填料對地下水中2，4-二氯酚在各種影響因素下的去除效果，確定最佳反應條件，為地下水中氯酚類污染物的有效去除和地下水修復提供理論基礎和科學依據。

一、材料和方法

1.試驗材料。鐵屑：取自鄭州市某廢品收購站，形狀不規則，實驗前用0.1mol/L的鹽酸浸洗3次，以去除鐵屑表面的雜質、油污及氧化膜，最后用去離子水沖洗至中性，快速烘干，過50目篩備用。活性炭：經碾細過50目篩后備用。2，4-二氯酚：化學純，廣州偉伯化工有限公司，規格為99%。試驗用水為自制去離子水。

2.分析方法。2，4-二氯酚的測定采用紫外分光光度法。

3.試驗方法。首先，通過向8個洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭質量比為1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，6∶1，7∶1，8∶1的鐵炭混合物5g和含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，確定最佳鐵炭比。其次，在最佳鐵炭比的環境中通過4個單因素試驗確定pH值、溫度、反應時間、初始2，4-二氯酚濃度的變化對2，4-二氯酚去除效果的影響。

二、試驗結果和分析

1.最佳鐵炭比的選擇。試驗將玻璃塞封口后的錐形瓶置于振蕩器中，在20±0.3℃，110±3r/min環境下，連續振蕩24h，用0.45 μm濾膜過濾，吸取適量濾液測定2，4-二氯酚的含量。不同鐵炭比對2，4-二氯酚的處理效果如圖1所示。由圖1可以看出，當鐵炭比為2∶1時，鐵炭混合填料對2，4-二氯酚的去除效果最好。原因是當鐵炭質量比小于2時，由于微電池作陽極的Fe被較多的C包裹，減少了Fe與水溶液的有效接觸面積，不利于氧化腐蝕反應的進行，導致陰極還原脫氯反應速率減慢，脫氯效率較低。當鐵炭質量比大于2時，脫氯效率呈下降趨勢，這是因為鐵和炭的含量不匹配，微電池對數明顯減少所致。因此，鐵炭質量比為2∶1時可以作為試驗中原電池的最佳鐵炭比。

2.pH值對2，4-二氯酚去除效果的影響。在10個洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭比2∶1的混合物5g，在不同pH值（3.0～12.0）條件下，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，將上述錐形瓶置于振蕩器中，在20±0.3℃，110±3r/min環境下，連續振蕩24h，用0.45μm濾膜過濾，吸取適量濾液測定2，4-二氯酚的含量，分析pH的變化對2，4-二氯酚去除效果的影響。不同pH值條件下鐵炭混合填料對2，4-二氯酚的處理效果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著pH值的增加，2，4-二氯酚的去除率逐漸降低，這說明偏酸性環境（pH3～5）對2，4-二氯酚的還原能力比中性和偏堿性的要好，是由于在酸性條件下高[H+]環境使脫氯反應易于發生。在pH值逐漸升高到7.0過程中，由于[H+]濃度逐漸降低使得鐵腐蝕反應產生的鐵離子轉化為氫氧化鐵沉淀附著在金屬表面，從而阻止了脫氯反應的進行。當pH值在7.0～10.0之間時，脫氯效率波動較大，原因是在堿性環境中部分[OH-]被還原使得水環境中溶解氧的增加導致pH值逐漸降低所致。

3.溫度對2，4-二氯酚去除效果的影響。試驗在3個洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭混合物5g，于不同溫度（10℃，20℃，30℃）條件下，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，將上述錐形瓶置于振蕩器中，在110±3r/ min環境下，連續振蕩24h，用0.45μm濾膜過濾，吸取適量濾液測定其中2，4-二氯酚的含量，分析溫度變化對2，4-二氯酚去除效果的影響。

不同反應溫度下鐵炭混合填料對2，4-二氯酚的處理效果如圖3所示。圖3表明，鐵炭混合填料對2，4-二氯酚的去除效果隨反應溫度的升高而升高，并最終趨于穩定。原因可能是在溫度較低時，2，4-二氯酚的去除主要依靠活性炭的吸附作用來完成，而活性炭對2，4-二氯酚的吸附過程是一個放熱過程，所以溫度越低越有利于活性炭對2，4-二氯酚的吸附。在溫度升高到20℃過程中，鐵炭組合填料對2，4-二氯酚的去除率明顯升高，在這個過程中活性炭對2，4-二氯酚的去除能力減弱，而鐵屑對2，4-二氯酚的去除能力增強，這可以由阿累尼烏斯方程K=Ko（-E/ RT）解釋，即溫度升高，反應速度加快，對2，4-二氯酚的去除效果有所提高；當溫度繼續升高時，可以看出溫度的變化對反應影響不大。這是因為有機物反應涉及C-Cl鍵的斷裂，而2，4-二氯酚的C-Cl鍵鍵能一般較高，即斷鍵所需的活化能較高，在較低溫度范圍條件下，溫度的上升對反應影響不大。

4.反應時間對2，4-二氯酚去除效果的影響。在12個洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭混合物5g，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，將上述錐形瓶置于振蕩器中，在20±0.3℃，110±3r/min環境下，連續振蕩，分別在1～12h時取出一個樣，用0.45μm濾膜過濾，吸取適量濾液測定其中2，4-二氯酚的含量，做一個動態反應等溫線。結果表明，鐵炭填料對2，4-二氯酚的去除率在前4h內迅速上升，其后去除率提高緩慢。在前4h內，鐵炭混合填料對2，4-二氯酚的去除率達到90%左右。原因是在開始階段，鐵炭填料對2，4-二氯酚的去除起主要作用的是活性炭的吸附，而活性炭對2，4-二氯酚的吸附迅速，所以2，4-二氯酚的濃度迅速降低。而隨著反應時間的增加，至7h后，鐵炭微電解作用逐漸占主導地位，2，4-二氯酚的去除率趨于平緩。因此，選擇最佳停留時間為7h。

5.初始2，4-二氯酚濃度對去除效果的影響。在6個洗凈烘干的100mL的錐形瓶中，分別投加鐵炭質量比為2∶1的鐵炭混合物5g，分別均加入濃度為0mg/L，10mg/L，20mg/L，40mg/L，60mg/ L，100mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，將上述錐形瓶置于振蕩器中，在20±0.3℃，110±3r/min環境下，連續振蕩24h，用0.45μm濾膜過濾，吸取適量濾液測定2，4-二氯酚的含量，分析初始2，4-二氯酚濃度對去除效果的影響。結果表明，在低初始2，4-二氯酚濃度時，2，4-二氯酚被還原脫氯的機會少，去除率也較低。隨著初始2，4-二氯酚濃度的增高，鐵炭填料對2，4-二氯酚的去除率逐漸升高。當初始2，4-二氯酚濃度大于40mg/L時，鐵炭填料對2，4-二氯酚的去除率逐漸降低，這是因為當初始2，4-二氯酚濃度較高時，鐵炭填料構成的微電池數量有限，鐵炭填料不能把水中所有的2，4-二氯酚分子降解掉，去除率較低。因此，初始2，4-二氯酚濃度為40mg/L時，鐵炭填料對2，4-二氯酚的去除率最高，能夠達到92.6%左右。

三、結論

1.在鐵碳比選擇試驗中，當鐵炭比為2∶1時，鐵炭混合物對2，4-二氯酚的去除效果最好，可作為最佳鐵炭配比。

2.試驗發現選擇合適的pH環境、溫度、反應時間、初始2，4-二氯酚濃度對去除地下水中2，4-二氯酚的影響明顯。

3.通過4個單因素試驗發現，在偏酸性環境下，溫度為20℃，停留時間為7h，初始2，4-二氯酚濃度為40mg/L時鐵炭混合填料對2，4-二氯酚的去除率最高。