非均相Fenton反應催化劑的制備及其催化性能

楊春維，王 棟，王 坤，王 丹，高 尚

(1.大連理工大學 環境學院，遼寧 大連 116024;2.吉林師范大學 環境工程學院，吉林 四平 136000)

非均相Fenton反應催化劑的制備及其催化性能

楊春維1，2，王 棟1，王 坤2，王 丹2，高 尚2

(1.大連理工大學 環境學院，遼寧 大連 116024;2.吉林師范大學 環境工程學院，吉林 四平 136000)

以柱狀顆粒活性炭為催化劑載體，采用浸漬法負載Fe2+，制備了非均相Fenton反應催化劑，并將其用于催化亞甲基藍溶液脫色反應。實驗結果表明:制備催化劑時最佳FeSO4濃度為16.7 mmol/L;在非均相Fenton反應催化劑加入量為4 g、亞甲基藍溶液初始濃度為0.028 mmol/L、亞甲基藍溶液體積為250 mL、體系pH為3、H2O2溶液濃度為46.6 mmol/L、反應溫度為20℃、攪拌轉速為75 r/min、反應時間為30 min的條件下，亞甲基藍溶液脫色率可達96.0%;反應過程中Fe2+濃度穩定維持在1.5 mmol/L左右;重復使用4次的催化劑仍具有很好的催化活性，亞甲基藍溶液脫色率仍可達到94.0%。

芬頓試劑;非均相催化劑;活性炭;亞甲基藍;脫色;廢水處理

Fenton試劑高級氧化技術因其高效、選擇性低、工藝相對成熟、具有經濟優勢等引起國內外學者的廣泛重視［1－7］。但投加Fe2+后會增大處理后廢水的色度，且系統pH升高后還會產生大量的鐵污泥，增加處理成本。近年來，有很多關于類Fenton試劑高級氧化技術的報道［8－11］，如何將 Fenton反應中的Fe2+固定化，以非均相催化劑的形式參與反應，成為該工藝研究和應用的重點之一。非均相Fenton反應催化劑與傳統的均相Fe2+相比具有催化劑易分離、易回收、能循環利用、Fe2+持續釋放維持反應速率穩定等優點，可以節約運行成本，同時也防止了大量鐵污泥的產生。雖然目前已有許多關于非均相Fenton反應催化劑的制備和應用的報道［12－15］，但由于存在催化劑制備方法復雜、催化活性低、粒徑小且不易分離、回收率低、機械強度低、鐵溶出較多等缺點，因此非均相Fenton反應催化劑仍有待進一步深入研究。

本工作以柱狀顆粒活性炭(簡稱活性炭)為催化劑載體，采用浸漬法負載Fe2+，制得非均相Fenton反應催化劑，并將其用于催化甲基藍溶液脫色反應。該制備方法簡單易行，催化活性較高，是非均相Fenton反應催化劑制備和應用的一條新途徑。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

活性炭:直徑2 mm，長2～10 mm;FeSO4·7H2O、NaOH、鄰菲啰啉、亞甲基藍、H2O2(質量分數30%)、HCl、濃H2SO4(質量分數98%)均為分析純;去離子水。

BP210s型電子天平:上海精天電子儀器有限公司;PHS－3C型酸度計:江蘇江分電分析儀器有限公司;UV－265型紫外分光光度計:日本島津公司;78－1型恒溫磁力攪拌器:江蘇省金壇市宏華儀器廠;KQ－200KDE型超聲波清洗器:廣東昆山超聲儀器有限公司。

1.2 催化劑的制備

活性炭預處理:向裝有活性炭的燒杯中加入HCl溶液(質量分數10%)，放入超聲波清洗器中超聲清洗30 min，用去離子水清洗至中性，放入烘箱在105～108℃條件下烘干備用。

稱取一定量的預處理后的活性炭置于燒杯中，加入一定濃度的FeSO4溶液，用NaOH溶液調節溶液pH為7，在20℃條件下于磁力攪拌器上以75 r/min的轉速攪拌2 h，過濾后置于烘箱中，于105～108℃條件下烘干，得到非均相Fenton反應催化劑。

1.3 實驗方法

將非均相Fenton反應催化劑在1 mmol/L的亞甲基藍溶液中浸泡至吸附平衡，然后將4 g吸附飽和的催化劑加入到250 mL初始質量濃度為0.028 mmol/L的亞甲基藍溶液中，用質量分數10%的H2SO4溶液和質量分數10%的NaOH溶液調節溶液pH，在磁力攪拌器上以75 r/min的轉速攪拌，在一定溫度條件下連續滴加一定濃度的H2O2溶液，開始計時，每隔2.5 min取樣測定溶液亞甲基藍的濃度和Fe2+的濃度，計算亞甲基藍溶液脫色率。

用非均相Fenton反應催化劑催化降解亞甲基藍30 min后，將催化劑濾出，在105～108℃條件下烘干，不做其他處理再次加入亞甲基藍溶液中進行Fenton反應，考察其重復利用的可行性。

1.4 分析方法

采用鄰菲啰啉分光光度法測定Fe2+濃度;采用分光光度法測定亞甲基藍溶液濃度［16］。

2 結果與討論

2.1 FeSO4溶液濃度對亞甲基藍溶液脫色率的影響

在溶液pH為3、H2O2溶液濃度為46.6 mmol/L、反應溫度為20℃的條件下，FeSO4溶液濃度對亞甲基藍溶液脫色率的影響見圖1。由圖1可見，亞甲基藍在反應2.5 min時已迅速降解，表明非均相Fenton反應催化劑具有較高的催化活性。由圖1還可見:隨制備催化劑時FeSO4溶液濃度增大，亞甲基藍溶液的脫色率增加;當 FeSO4溶液濃度從4.8 mmol/L增至16.7 mmol/L時，反應10 min時亞甲基藍溶液的脫色率從83.6%增加到93.4%;繼續增加FeSO4溶液濃度時，亞甲基藍溶液的脫色率反而下降。這是因為過多的Fe2+會使生成的羥基自由基湮滅。故本實驗制備催化劑時最佳FeSO4溶液濃度為16.7 mmol/L。

圖1 FeSO4溶液濃度對亞甲基藍溶液脫色率的影響

2.2 H2O2溶液濃度對亞甲基藍溶液脫色率的影響

在溶液pH為3、反應溫度為20℃、反應時間為30 min的條件下，H2O2溶液濃度對亞甲基藍溶液脫色率的影響見圖2。

圖2 H2O2溶液濃度對亞甲基藍溶液脫色率的影響

由圖2可見:隨H2O2溶液濃度增大，亞甲基藍溶液的脫色率呈現先升高后降低的趨勢;當H2O2溶液濃度從24.1 mmol/L增加到68.3 mmol/L時，亞甲基藍溶液脫色率從 29.1%增加到 93.6%;當H2O2溶液濃度繼續增加至89.0 mmol/L時，亞甲基藍溶液脫色率降至66.9%。這是因為過量的H2O2也會使羥基自由基發生無效反應，生成氧化活性較低的·HO2自由基。本實驗最佳H2O2溶液濃度為68.3 mmol/L。

2.3 溶液pH對亞甲基藍溶液脫色率的影響

在H2O2溶液濃度為68.3 mmol/L、反應溫度為20℃、反應時間為30 min的條件下，溶液pH對亞甲基藍溶液脫色率的影響見圖3。由圖3可見:當溶液pH由2升至3時，亞甲基藍溶液脫色率從93.9%增加到96.0%;當溶液pH由3升至5時，亞甲基藍溶液脫色率逐漸下降至91.0%。顯然，酸性條件下有利于亞甲基藍降解，因為酸性條件下，Fe2+以離子形態存在，更容易催化H2O2迅速轉化為·OH［17－18］。雖然溶液 pH 為 3時，亞甲基藍溶液脫色率最高，但溶液pH在2～5范圍內，亞甲基藍溶液脫色率均可達到91.0%以上，這表明非均相Fenton反應催化劑催化亞甲基藍溶液脫色時可在較寬的pH范圍內適用，溶液pH的調節不必過于苛刻。

圖3 溶液pH對亞甲基藍溶液脫色率的影響

2.4 反應溫度對亞甲基藍溶液脫色率的影響

在H2O2溶液濃度為68.3 mmol/L、溶液 pH為3、反應時間為30 min的條件下，反應溫度對亞甲基藍溶液脫色率的影響見圖4。由圖4可見，反應溫度從20℃提高到60℃，亞甲基藍溶液脫色率變化并不明顯，僅從96.0%提高到98.0%。因此，反應溫度可以不作為實驗調節參數加以考慮。

2.5 反應過程中Fe2+濃度的變化

Fenton反應要求水相中有一定的Fe2+濃度，而傳統均相Fenton反應過程中Fe2+的濃度下降很快［19］，生成的Fe3+濃度較高，最終會形成大量的鐵污泥。本實驗通過測定最佳條件下溶液中Fe2+濃度的變化，考察了非均相Fenton反應催化劑在反應過程中持續供給Fe2+的能力。

圖4 反應溫度對亞甲基藍溶液脫色率的影響

在 FeSO4溶液濃度為 16.7 mmol/L、H2O2溶液濃度為68.3 mmol/L、溶液 pH為3、反應溫度為20℃的條件下，反應過程中Fe2+濃度的變化見圖5。由圖5可見，Fe2+濃度隨反應的進行發生波動，總體趨勢是逐漸下降，因為有部分Fe2+轉化成了Fe3+。反應 30 min后，Fe2+濃度仍維持在 1.5 mmol/L左右，表明本非均相Fenton反應催化劑有被持續循環利用的可能性。

圖5 反應過程中Fe2+濃度的變化

2.6 催化劑重復使用次數對亞甲基藍溶液脫色率的影響

在 FeSO4溶液濃度為 16.7 mmol/L、H2O2溶液濃度為68.3 mmol/L、溶液 pH為3、反應溫度為20℃、反應時間為30 min的條件下，催化劑重復使用次數對亞甲基藍溶液脫色率的影響見圖6。由圖6可見，重復使用4次的催化劑仍具有很好的催化效果，亞甲基藍溶液脫色率仍可達到94.0%。可見本實驗制備的非均相Fenton反應催化劑可多次重復使用。

圖6 催化劑重復使用次數對亞甲基藍溶液脫色率的影響

3 結論

a)采用FeSO4溶液浸漬顆粒活性炭制備了非均相Fenton反應催化劑，制備催化劑時最佳FeSO4溶液濃度為16.7 mmol/L。

b)非均相Fenton反應催化劑催化亞甲基藍溶液脫色反應的最佳工藝條件為:H2O2溶液濃度68.3 mmol/L，溶液 pH 3，反應時間30 min。

c)反應過程中Fe2+濃度一直穩定在1.5 mmol/L左右，表明非均相Fenton反應催化劑在反應過程中能持續供給Fe2+。

d)重復使用4次的催化劑仍具有很好的催化效果，亞甲基藍溶液脫色率仍可達到94.0%。非均相Fenton反應催化劑可多次重復使用。

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Preparation and Activity of Heterogeneous Catalyst for Fenton Reaction

Yang Chunwei1，2，Wang Dong1，Wang Kun2，Wang Dan2，Gao Shang2

(1.School of Environmental Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China;
2.College of Environmental Engineering，Jilin Normal University，Siping Jilin 136000，China)

The heterogeneous catalyst for Fenton reaction was prepared by loading columnar granular activated carbon with Fe2+by dipping method，and was used to catalyze the decolorization reaction of methylene blue solution.The experimental results show that:The optimum FeSO4concentration for catalyst preparation is 16.7 mmol/L;Under the conditions of heterogeneous catalyst dosage 4 g，initial methylene blue concentration 0.028 mmol/L，methylene blue solution volume 250 mL，system pH 3，H2O2solution concentration 46.6 mmol/L，reaction temperature 20 ℃，stirring speed 75 r/min and reaction time 30 min，the decolorization rate of the methylene blue solution can reach 96.0%;The Fe2+concentration remains 1.5mmol/L approximately during the reaction process;The activity of the catalyst after 4 times of reuse is still good with 94.0%of decolorization efficiency.

Fenton reagent;heterogeneous catalyst;activated carbon;methylene blue;decolorization;wastewater treatment

X703

A

1006－1878(2011)06－0557－04

2011－06－08;

2011－07－20。

楊春維(1976—)，男，遼寧省遼陽市人，博士生，講師，主要研究方向為廢水治理技術開發與機理研究。電話 13694001403，電郵 chunwei_yang@jlnu.edu.cn。

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(吉教科合字［2011］第417號)。

(編輯 祖國紅)