類Fenton反應(yīng)[Fe（Ⅲ）/H2O2]強(qiáng)化污染物的光降解

摘? 要：本實(shí)驗(yàn)是以紫外燈為光源， 以亞甲基藍(lán)染料廢水為研究對象， 對Fe（III），H2O2組成類Fenton體系中Fe（III）的濃度，H2O2的濃度，光照條件對染料降解速率的影響分別進(jìn)行了探索研究。結(jié)果表明引入光照和H2O2對亞甲基藍(lán)溶液的降解速率有很大提升，同時Fe（III）具有強(qiáng)化H2O2氧化染料能力的作用。

關(guān)鍵詞：類fenton反應(yīng);染料降解;光催化

中圖分類號：X703? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0引言

活性染料因其色澤鮮艷、水溶性好、技術(shù)簡單等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于印染工業(yè)，但活性染料廢水目前排放量大，成分復(fù)雜、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易分解、色度深、有毒、可生化性差，因而處理難度較大。隨著國家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，常規(guī)生物處理已很難滿足要求，如何高效深度的處理染料廢水受到了越來越多的關(guān)注。[1]亞甲基藍(lán)作為活性染料廢水中常見污染物的一種，本文以它作為代表性活性染料污染物進(jìn)行研究。

目前印染廢水的深度處理方法主要有吸附法、混凝沉降法、萃取法、高級氧化法、生物法、膜分離法等。[2]我們選擇的Fenton催化氧化法是高級氧化法的一種，憑借著較強(qiáng)的氧化能力、較高的處理效率、溫和的反應(yīng)條件、靈活的應(yīng)用以及較為低廉的成本在工業(yè)廢水處理中有著廣泛的應(yīng)用。[3]

傳統(tǒng) Fenton 體系中，F(xiàn)enton試劑在黑暗中就能降解有機(jī)物，節(jié)省了設(shè)備投資亞鐵離子和過氧化氫反應(yīng)降低了過氧化氫的利用率導(dǎo)致·OH產(chǎn)率低，當(dāng)亞鐵離子濃度過高時會導(dǎo)致水質(zhì)帶有顏色。在異相類 Fenton 體系中引入光照，可促進(jìn)反應(yīng)體系中鐵離子的循環(huán)，提高 H2O2的利用率和反應(yīng)速率，使有機(jī)物被降解得更加徹底。[4]

以Fe（III）替換Fe（Ⅱ）作為類Fenton 氧化催化反應(yīng)的催化劑，由于Fe3+和紫外線對H2O2的催化分解存在協(xié)同效應(yīng)Fe（III）與水中的OH復(fù)合離子可以直接產(chǎn)生氫基自由基·OH，并產(chǎn)生Fe（II），F(xiàn)e（II）可繼續(xù)與H2O2反應(yīng)生成·OH，使染料廢水中的有機(jī)物更快速的被氧化降解有著成本較低，更為穩(wěn)定的優(yōu)勢。[5]

本研究以亞甲基藍(lán)溶液作為研究對象，考察了Fe（III）和H2O2不同濃度的情況下對光-Fenton體系處理亞甲基藍(lán)模擬的染料廢水的影響，確定了最優(yōu)反應(yīng)條件，并對UV-類Fenton體系的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了初步探討。

1研究過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

（1）試劑：NaOH，濃鹽酸，亞甲基藍(lán)，蒸餾水，氯化鐵，雙氧水。

（2）儀器：紫外-可見分光光度計(jì)（島津公司，型號：756PC），pH計(jì)（METTLER TOLEDO），光催化系統(tǒng)（自制），燒杯，冰箱，容量瓶，移液槍（eppendorf 規(guī)格：100μL、200μL、1000μL），洗瓶，石英比色皿（光亮高科）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1繪制亞甲基藍(lán)廢水標(biāo)準(zhǔn)曲線（A-C工作曲線）

注：亞甲基藍(lán)溶液在ph=3.0的時候在波長為664nm時吸光度最高。

首先配制濃度C分別為0， 2， 4 ， 6 ， 8 ， 10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液，然后用分光光度計(jì)掃描，確定污染物吸收峰位置，分光光度計(jì)測定在這一波長下（664nm）不同濃度的亞甲基藍(lán)溶液的吸光度A，測定一系列已配置的濃度C溶液的吸光度A，作出A-C工作曲線。

1.2.2光-Fenton反應(yīng)促進(jìn)亞甲基藍(lán)催化降解實(shí)驗(yàn)

首先，配置C=10ppm的亞甲基藍(lán)溶液用來模擬染料廢水，取樣100mL放入燒杯中，通過向溶液中添加HCl和NaOH的方式將染料溶液的pH調(diào)節(jié)至3.0。分別加入一定量的Fe（III）和H2O2，打開紫外燈管，經(jīng)過一定時間分別取樣測定亞甲基藍(lán)的降解率。對光催化氧化處理前后的染料溶液樣品進(jìn)行光譜測試，并對反應(yīng)前后樣品的紫外-可見光譜進(jìn)行對比分析。

保證其他反應(yīng)條件不變，改變H2O2 用量，參照亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線得到反應(yīng)前后亞甲基藍(lán)溶液的濃度，計(jì)算降解率，分析Fenton 催化氧化法對廢水中亞甲基藍(lán)降解率的影響。

通過測定光照前后溶液的吸光度值，參照亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到反應(yīng)前后亞甲基藍(lán)溶液的濃度，通過下列公式計(jì)算亞甲基藍(lán)溶液的降解率R：

R=[（C0-Ct）/C0]×100%

（其中：C0是光照前亞甲基藍(lán)溶液的初始濃度，Ct是光照后亞甲基藍(lán)溶液的濃度）

2 結(jié)果與討論

（1）亞甲基藍(lán)染料廢水在 pH =3.0，紫外光照射的條件下反應(yīng)50min，見圖2。

由圖1、圖2可知，亞甲基藍(lán)染料廢水在 pH =3.0，紫外光照射的條件下反應(yīng)50min，降解率極低，說明在亞甲基藍(lán)溶液中加入H2O2，引入紫外光可以顯著提升降解效果。

（2）在亞甲基藍(lán)染料廢水 pH =3.0時，分別在C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0228ppb; C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0576ppb;C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0228ppb;C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0576ppb四個反應(yīng)條件下在紫外線燈光照條件下反應(yīng)15min，見圖3。

如圖3所示在反應(yīng)15min結(jié)束時以C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0576ppb為條件的體系降解率最高，效果最好，到達(dá)了98.70%，與之做對比的以C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0228ppb為條件的體系，降低了H2O2的濃度，從數(shù)據(jù)上看其反應(yīng)速度整體慢于C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0576ppb為條件的體系， C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0576ppb為條件的體系反應(yīng)5min時降解率為95.00%，而以C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0228ppb為條件的體系反應(yīng)5min時降解率僅達(dá)到80.70%。

以C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0576ppb為條件的體系和以C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0228ppb為條件的體系對比，降低了Fe（III）的濃度，數(shù)據(jù)比較沒有大范圍變化但以C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0576ppb為條件的體系的整體反應(yīng)速度還是大于以C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0228ppb為條件的體系。綜上說明H2O2的濃度對于反應(yīng)降解率的影響大于Fe（III）的濃度對反應(yīng)降解率的影響。

（3）在亞甲基藍(lán)染料廢水 pH =3.0時，一組在C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0228ppb;C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0213ppb的條件下在紫外光燈下反應(yīng)15min。另一組在C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0228ppb;C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0213ppb的條件下，在沒有紫光光照射的情況下反應(yīng)15min，見圖4。

在亞甲基藍(lán)染料廢水 pH =3.0時，一組在 C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0576ppb;C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0228ppb的條件下在紫外光燈下反應(yīng)10min。另一組在C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0228ppb;C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0576ppb的條件下，在沒有紫光光照射的情況下反應(yīng)10min，見圖5。

如圖4所示，在Fe（III）的濃度偏高時光照條件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大，而當(dāng)Fe（III）濃度減小，H2O2的濃度增加，如圖5所示，光照條件下反應(yīng)的體系降解率均大于未光照條件下的體系。綜上所述，光照條件對H2O2分解影響比較大。

（4）在亞甲基藍(lán)染料廢水 pH =3.0時，在 C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.00288ppb;C（Fe（III））=0.0618ppb，C（H2O2）=0.0228ppb的條件下在沒有紫外光燈的照射下反應(yīng)25min，見圖6。

由圖6可知，當(dāng)Fe（III）的濃度較高時，體系降解率較大，H2O2的分解較快，說明Fe（III）具有強(qiáng)化H2O2氧化能力的能力。

3結(jié)論

（1）在亞甲基藍(lán)溶液中加入H2O2，引入紫外光有明顯強(qiáng)化降解效果;（2）Fe（III）具有強(qiáng)化H2O2氧化降解污染物的能力;（3）H2O2的濃度變化對于反應(yīng)降解率的影響較大;（4）在 C（Fe（III））=0.308ppb，C（H2O2）=0.0231ppb 紫外光照的條件下亞甲基藍(lán)的降解效果最好。

4創(chuàng)新點(diǎn)與展望

本研究采用Fe（III）/H2O2紫外光照體系來降解亞甲基藍(lán)溶液，F(xiàn)e（III）的引入克服了傳統(tǒng)芬頓體系中Fe（II）易被氧化失效而需要補(bǔ)充Fe（II）維持反應(yīng)的高效進(jìn)行，F(xiàn)e（III）在紫外光照條件下，可以生成Fe（II），進(jìn)一步催化H2O2分解，產(chǎn)生·OH促進(jìn)污染物的降解，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了Fe（III）具有強(qiáng)化H2O2氧化降解污染物的能力。UV-Fe（III）/H2O2光催化活性強(qiáng)，具有很好的工程應(yīng)用潛力。

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收稿日期：2019-11-15

作者簡介：舒雪然，女，漢族，北京人。