超聲波-鐵粉協(xié)同降解五氯酚

曹世暉

(湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，湖南 湘潭 411103)

超聲波-鐵粉協(xié)同降解五氯酚

曹世暉

(湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，湖南 湘潭 411103)

通過超聲波-鐵粉聯(lián)合體系協(xié)同降解廢水中的五氯酚(PCP)。實驗結(jié)果表明:降解120 min后，PCP去除率可達(dá)90.4%;在該體系中鐵粉被逐漸腐蝕成Fe2+，隨降解時間的延長，F(xiàn)e2+濃度逐漸增加;體系中的Fe2+可以促進·OH的產(chǎn)生，并且可以與超聲空化作用下產(chǎn)生的H2O2發(fā)生Fenton試劑氧化反應(yīng)降解PCP;超聲波對鐵粉粒子具有清洗、侵蝕和粉碎作用，增加鐵粉表面積，強化液固傳質(zhì)，使鐵表面反應(yīng)活性中心暴露，提高反應(yīng)速率。

超聲波;鐵粉;五氯酚;協(xié)同作用;芬頓試劑;反應(yīng)機理

在超聲波降解體系中，超聲空化是超聲波降解氯代有機物的主動力。水溶液中的氯代有機物發(fā)生超聲空化時，反應(yīng)可發(fā)生在空化氣泡內(nèi)、空化氣泡表面和液相主體3個區(qū)域［1］。空化氣泡由空化氣體、水蒸氣及易揮發(fā)溶質(zhì)的蒸氣構(gòu)成。在空化氣泡內(nèi)，有機物的降解主要靠高溫?zé)峤夂洼^高濃度的自由基氧化;在空化氣泡表面是圍繞氣相的一層很薄的超熱液相層，此處存在高濃度的·OH和·H，且水呈超臨界狀態(tài)，有機物被自由基、H2O2及超臨界水氧化并部分被熱解;在該兩個區(qū)域中未被消耗掉的氧化劑(如·OH和H2O2)會在液相主體中繼續(xù)與溶質(zhì)進行反應(yīng)，但反應(yīng)量很小。

鐵粉對水中氯代有機物的脫氯還原主要有3種反應(yīng)途徑［2］:一是鐵粉表面的直接反應(yīng)，將鐵粉表面的電子轉(zhuǎn)移至氯代有機物使之脫氯;二是鐵粉腐蝕后生成的Fe2+的脫氯還原;三是鐵粉腐蝕過程產(chǎn)生的H2的脫氯還原。

近年來，采用超聲波-鐵粉聯(lián)用技術(shù)降解廢水中的有機物倍受關(guān)注。研究結(jié)果表明，該技術(shù)具有明顯的協(xié)同效應(yīng)［3-6］。

本工作采用超聲波-鐵粉體系降解廢水中的五氯酚(PCP)，探討了超聲波與鐵粉的協(xié)同作用機理，旨在為該技術(shù)的深入研究和實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗用試劑均為分析純。

KQ-600型超聲波清洗器:工作頻率40 kHz，輸出功率600 W，昆山市超聲儀器有限責(zé)任公司;DJ-1型電動攪拌器:杭州儀器電機廠;P680型高效液相色譜儀:美國戴安公司;722S型分光光度計:上海精密科學(xué)儀器有限公司;S-570型掃描電子顯微鏡(SEM):日本Hitachi公司;520A型PH/ISE測定計:德國Thermo公司。

1.2 實驗方法

將200 mL初始質(zhì)量濃度為10 mg/L、pH為3的PCP模擬廢水置于超聲波清洗器中，以1.5 g/L的加入量加入鐵粉，開啟攪拌與超聲裝置，通過循環(huán)冷卻水控制反應(yīng)溫度為25℃，降解120 min后取樣分析。

1.3 分析方法

采用高效液相色譜儀測定PCP質(zhì)量濃度，計算PCP去除率;采用鄰菲羅啉分光光度法測定Fe2+濃度［7］;采用SEM 對鐵粉表面進行表征;采用PH測定計測定pH;采用鄰二氮菲-Fe(Ⅱ)法測定·OH濃度［8-10］。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同降解方法對PCP去除率的影響

不同降解方法對PCP去除率的影響見圖1。

由圖1可見:當(dāng)降解反應(yīng)進行120 min后，單獨用鐵粉對PCP進行降解時，降解率為15.0%;單獨采用超聲波對PCP進行降解，去除率為45.9%;超聲波-鐵粉協(xié)同作用對PCP的去除率為90.4%。由此可見，超聲波-鐵粉協(xié)同作用對PCP的降解效率分別高于鐵粉和超聲波單獨降解PCP的效率，并且高于二者之和。

PCP的降解動力學(xué)方程見式(1)。

式中:ρ0為PCP初始質(zhì)量濃度，mg/L;ρ為降解t時刻的 PCP質(zhì)量濃度，mg/L;k為降解速率常數(shù)，min-1;t為降解時間，min。

超聲波-鐵粉協(xié)同作用降解PCP的總降解速率常數(shù)(kS，min-1)可表示為鐵粉降解PCP的降解速率常數(shù)(kFe，min-1)、超聲波降解PCP的降解速率常數(shù)(kUS，min-1)與超聲波-鐵粉協(xié)同作用所貢獻(xiàn)的降解速率常數(shù)(kUS-Fe，min-1)之和，方程見式(2)。

由式(1)可計算出不同體系降解PCP的降解速率常數(shù)，見表1。將表1中數(shù)據(jù)代入式(2)，計算出kUS-Fe為 0.013 4 min-1，kFe、kUS和 kUS-Fe在 kS中所占的比例分別為23.8%、6.7%和69.5%。由此可見，在超聲波-鐵粉協(xié)同降解PCP的體系中超聲波和鐵粉的協(xié)同作用是顯著的。

表1 不同體系降解PCP的降解速率常數(shù) min-1

有研究發(fā)現(xiàn)，在超聲體系中添加適量的一定粒徑的惰性粒子(如鋁、硅等)，可在一定程度上提高目標(biāo)污染物的反應(yīng)速率［11］。研究表明，固體粒子的存在有助于強化超聲波的微射流作用，從而產(chǎn)生大量的微小空化泡。這可能是因為粒子的存在可使大空化泡碎裂為大量的微小空化泡，空化泡數(shù)量的增多促進了·OH的產(chǎn)生，從而提高了PCP的去除率。

2.2 超聲波－鐵粉協(xié)同作用降解PCP的機理研究

在超聲波-鐵粉協(xié)同降解PCP體系中，F(xiàn)e2+濃度隨降解時間的變化見圖2。由圖2可見，隨降解時間的延長，F(xiàn)e2+濃度逐漸增加。在超聲波-鐵粉協(xié)同降解 PCP過程中，鐵粉逐漸被腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+。Fe2+本身是一種氧化劑，可以氧化·OH與有機污染物反應(yīng)過程中生成的一些中間產(chǎn)物［12］，促進PCP的降解。另外，F(xiàn)e2+可以與超聲空化作用下產(chǎn)生的H2O2發(fā)生 Fenton 試劑氧化反應(yīng)［13-14］，降解PCP。

圖2 Fe2+濃度隨降解時間的變化

不同降解體系中·OH濃度隨降解時間的變化見圖3。由圖3可見，超聲波-鐵粉體系中的·OH濃度明顯多于單獨超聲波體系。這是由于，在單獨超聲波體系中高溫、高壓條件下，水分子裂解產(chǎn)生·OH和·H，但在氣液界面或空化泡中·OH會部分結(jié)合產(chǎn)生H2O2，使得·OH的濃度降低;在超聲波-鐵粉體系中，F(xiàn)e2+可以與H2O2發(fā)生Fenton試劑氧化反應(yīng)生成·OH，使體系中的·OH濃度增加［15-16］，進而提高PCP的降解效果。因此在超聲波體系中引入Fe2+可以促進·OH的產(chǎn)生，有助于有機污染物的降解。這與Nagata等［17］的研究結(jié)果一致，他們在超聲波處理3-氯酚的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入質(zhì)量濃度為5.6×10-3g/L的Fe2+時，3-氯酚去除率提高了2.4倍。

2.3 超聲波對鐵粉表面特性的影響

反應(yīng)前(a)后(b)鐵粉的SEM照片見圖4。由圖4可見:未反應(yīng)的鐵粉表面為一層薄膜;反應(yīng)后的鐵粉表面有清晰可見的沖擊小坑。超聲波對鐵粉粒子具有清洗、侵蝕和粉碎作用，由此可增加鐵粉比表面積，強化液固傳質(zhì)，使鐵粉表面反應(yīng)活性中心暴露，提高反應(yīng)速率。

圖4 反應(yīng)前(a)后(b)鐵粉的SEM照片

超聲波對鐵粉粒子的清洗作用主要體現(xiàn)在:其一，由超聲波產(chǎn)生的空化氣泡會富集于鐵粉粒子表面，這些空化氣泡對由液體包圍的鐵粉粒子表面具有沖洗作用，能夠擦洗鐵粉粒子表面，強化液固接觸;其二，鐵粉粒子表面有一層薄膜，這層表面膜可以吸收相當(dāng)多的液體，在粒子表面形成膠質(zhì)體，妨礙分子擴散，粒子經(jīng)過超聲波處理后，膠質(zhì)物破裂，與粒子內(nèi)的空氣一起離開表面，然后液體可與清潔的粒子表面充分接觸［18］。

超聲波可對鐵粉粒子造成表面侵蝕與粉碎是因為:鐵粉粒子表面受到超聲波輻射時空化氣泡的破裂方式發(fā)生改變，破裂后不是球形，而會發(fā)生變形，此變形體朝著鐵粉粒子表面產(chǎn)生高速液體噴射，噴射速率大于1 000 m/s。這種高速噴射作用可對鐵粉粒子表面產(chǎn)生侵蝕作用，裸露出活性表面;其次，會造成表面創(chuàng)傷，形成表面缺陷，易碎的固體會變成小粒子，從而增加傳質(zhì)接觸比表面積。

3 結(jié)論

a)采用超聲波-鐵粉協(xié)同降解廢水中的PCP，降解120 min后，PCP去除率可達(dá)90.4%。

b)在超聲波-鐵粉協(xié)同降解PCP的體系中，隨降解時間的延長，鐵粉逐漸被腐蝕成Fe2+，F(xiàn)e2+濃度逐漸增加。體系中的Fe2+可以促進·OH的產(chǎn)生，并且可以與超聲空化作用下產(chǎn)生的 H2O2發(fā)生Fenton試劑氧化反應(yīng)降解PCP。

c)超聲波對鐵粉粒子具有清洗、侵蝕和粉碎作用，由此可增加鐵粉表面積，強化液固傳質(zhì)，使鐵粉表面反應(yīng)活性中心暴露，提高反應(yīng)速率。

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Synergistic Degradation of Pentachlorophenol Using Ultrasonic Wave-Iron Powder

Cao Shihui

(Department of Material Engineering，Hunan Urban Construction College，Xiangtan Hunan 411103，China)

Pentachlorophenol(PCP)in wastewater was synergistically degraded in ultrasonic waveiron powder system.The experimental results show that:After degradation for 120 min，the PCP removal rate can reach 90.4%;The iron powder in the system is corroded into Fe2+gradually，and the Fe2+concentration increases with the extending of degradation time;Fe2+in the system can promote the generation of·OH，which can degrade PCP by Fenton reagent oxidation with H2O2generated by ultrasonic cavitation;Ultrasonic wave has the effects of clearning，corroding and comminuting on iron powder，so it can expand the surface area of iron powder，enhance liquid-solid mass transfer，expose the reaction centors on iron powder surface，and finally it can increase the reaction rate.

ultrasonic wave;iron powder;pentachlorophenol;synergistic reaction;Fenton agent;reaction mechanism

X703.1

A

1006-1878(2011)04-0304-04

2011-01-18;

2011-04-15。

曹世暉(1971—)，女，湖南省湘潭市人，碩士，副教授，研究方向為廢水處理新技術(shù)。電話 18975267790，電郵 csh710216@126.com。

(編輯 王 馨)