超聲波強化Fenton試劑法降解對硝基苯酚廢水

逯延軍，趙平歌，董艷慧

(西安工業大學 建筑工程學院，陜西 西安 710021)

硝基芳香族化合物被廣泛用于醫藥、化纖和橡膠等領域[1-2]。但其在環境中很難降解，且具有致癌、致畸、致突變的三致作用[3-4]。

Fenton(H2O2/Fe2+)試劑具有很強的氧化性[5-6]。研究表明，Fenton試劑可被用于很好地降解硝基芳香族化合物[7-8]。超聲波技術是一種高效、清潔的新型水處理技術，具有良好的應用前景[9]。超聲波通過空化效應會產生高溫高壓的極端物理環境，在此條件下，空化氣泡中的H2O可發生裂解產生羥基自由基(OH·)氧化降解有機物[10-11]。

本文將超聲波強化Fenton試劑法用于降解對硝基苯酚(PNP)。這樣超聲空化產生的特殊反應環境得以充分利用，提高了Fenton試劑對污染物的降解效率。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對硝基苯、過氧化氫、硫酸亞鐵均為分析純。

UV754N紫外可見分光光度計。

1.2 實驗方法

反應裝置圖見圖1。主體為小型探頭式反應器，超聲波以輻射的方式加入。探頭垂直浸入溶液中，深度大約為1 cm。通過改變轉換器的電功率調節聲能密度，通過恒溫水浴來控制溫度。單獨進行Fenton試劑法降解實驗時，將超聲探頭換為電動攪拌器。

將100 mL濃度為150 mg/L的對硝基苯酚模擬廢水加入到反應裝置中，超聲探頭插入到液面下約1 cm處，加入Fenton試劑和超聲波輻射的條件下進行反應，反應溫度為25 ℃。間隔一段時間取樣，采用紫外可見分光光度法測定PNP的濃度。

實驗的初始條件為：pH=4，[H2O2]=300 mg/L，[Fe2+]=15 mg/L，PNP=150 mg/L。

圖1 反應裝置圖Fig.1 Diagram of experimental reactor1.超聲波發生器；2.能量轉換器；3.探頭；4.溶液；5.水??；6.溫度計

2 結果與討論

2.1 兩種方法對PNP的降解對比

在相同實驗條件下，初始pH=4，[H2O2]=300 mg/L，[Fe2+]=15 mg/L，Fenton試劑、超聲波強化Fenton試劑法(聲強為15 W/cm2)對PNP的降解效果，見圖2。

圖2 兩種方法對PNP的降解對比圖Fig.2 Changes of PNP degradation with Fenton and US/Fenton

由圖2可知，反應120 min時，Fenton試劑、超聲波強化Fenton試劑法對PNP的降解率分別為57.3%，81.3%，降解率提高了41.9%。這是由于把Fe2+加入到反應體系中時，會發生如下的反應：

Fe2++H2O2→Fe3++OH·+OH-

超聲波可加快Fe2+向Fe3+的轉化，反應會向右進行，Fe2+可繼續催化分解H2O2，因此會產生更多的OH·自由基。這些自由基可與PNP直接發生氧化反應，另外也可與苯環結構發生加成反應，破壞苯環，形成脂肪族化合物[3]。US/Fenton聯用技術具有很好的協同作用。

2.2 聲強對US/Fenton法降解PNP的影響

超聲波發生器聲強對US/Fenton法降解PNP的影響見圖3。

由圖3可知，US/Fenton法對PNP的降解率隨著聲強的增大而升高，然而，聲強過大時，空化泡在聲波的負相增長較大，導致空化泡的崩潰不充分，從而形成聲屏蔽，這樣超聲能的利用率就會下降。聲強為20 W/cm2時，其對PNP的降解率較聲強為15 W/cm2時提高不大，且超聲發生器已發熱，探頭表面存在空化腐蝕現象。因此，本實驗采用15 W/cm2的聲強。

圖3 聲強對US/Fenton法降解PNP的影響Fig.3 Effect of sound intensity on PNP degradationby US/Fenton method初始pH為4，[H2O2]=300 mg/L，[Fe2+]=15 mg/L

2.3 溶液初始pH對US/Fenton法降解PNP的影響

用HCl和NaOH調節溶液的初始pH，研究pH值對US/Fenton法降解PNP的影響，結果見圖4。

圖4 溶液初始pH對US/Fenton法降解PNP的影響Fig.4 Effect of initial pH of solution on PNPdegradation by US/Fenton method聲強為15 W/cm2，[H2O2]=300 mg/L，[Fe2+]=15 mg/L

由圖4可知，pH越低，US/Fenton法對PNP的降解效果越好。由聲化學可知，空化氣泡具有憎水性。而溶液初始pH值會影響PNP的賦存狀態。在酸性條件下，PNP大部分呈分子態，此時PNP具有憎水性，可聚集在空化泡表面層，并揮發進入到空化氣泡內，發生化學反應；在堿性條件下，PNP大多呈離子態，此時PNP具有親水性，不易聚集在空化氣泡表面層，不易發生化學反應。此外，酸性條件也可以提高Fenton試劑中H2O2的利用率。因此，較低的pH值更利于PNP的降解。

2.4 H2O2濃度對US/Fenton法降解PNP的影響

H2O2濃度對US/Fenton法降解PNP的影響見圖5。

圖5 H2O2濃度對US/Fenton法降解PNP的影響Fig.5 Effect of H2O2 concentration on PNPdegradation by US/Fenton methodpH=4，聲強為15 W/cm2，[Fe2+]=15 mg/L

由圖5可知，PNP的降解率隨H2O2濃度的升高而增加，這是因為超聲波可使H2O2在空化氣泡或邊界層處發生熱分解反應。

H2O2→OH·+ OH·

H2O2的量會對反應體系中羥基自由基(OH·)的數量產生直接影響，從而影響PNP的降解反應。隨著H2O2濃度的增加，反應體系中會產生更多的OH·自由基，有利于對PNP的降解。

3 結論

超聲波對Fenton試劑法降解對硝基苯酚(PNP)有顯著的強化作用。在聲強為15 W/cm2、pH=4、[H2O2]=300 mg/L 、[Fe2+]=15 mg/L的條件下反應120 min，US/Fenton法對PNP的降解率達到81.3%。在充分利用了超聲空化產生的特殊反應環境的同時，提高了Fenton試劑對PNP的降解效果。