羥基等自由基降解飲用水中苯酚的實驗研究

郭若軍 徐欣 彭鴻彬 依成武 王慧娟

摘 要：論文采用強電離放電產生的羥基（·OH）等自由基處理含苯酚（C6H6O）飲用水，考察了苯酚的初始濃度、·OH比值濃度、溫度、時間等單因素對·OH降解苯酚的影響。實驗結果表明：苯酚的初始濃度為0.492mol/L時，溶液中苯酚幾乎可以被完全降解，隨著苯酚初始濃度增加，其降解率減小；·OH比值濃度的增加，苯酚的降解率迅速提高；不同溫度的影響實驗表明，在14～32℃時，溫度對降解率的影響較小，各溫度下降解速率較接近，但升高反應溫度也能提高降解率；增加反應時間，苯酚的降解率明顯增大。在苯酚濃度為0.984mg/L，·OH比值濃度為2.54mg/L，溫度22.8℃，pH值為7.2的條件下，廢水中苯酚的質量濃度從0.984mg/L降至0.02mg/L，降解率高達98%。

關鍵詞：羥基自由基；飲用水；苯酚；降解率

0引言

飲用水水源是保證供水安全和社會正常運行的重要公共基礎設施，也是生態環境系統的重要組成部份。水源水質的好壞會直接影響到供水水質和人們的飲水安全。近年來，隨著工業的高速發展，有機廢水的排放大量增加，造成了人類賴以生存的水資源環境的急劇惡化。苯酚類有機物是一類在受污染水源中檢出率最高的有機污染物，是我國和美國環保局（EPA）規定的優先控制污染物[1-2]。含酚廢水對人類和環境的危害越來越嚴重，這已經引起人們的廣泛關注。因此有效去除廢水中的難降解有機物苯酚已經成為當前十分迫切的任務。

高級氧化技術是以產生·OH為主要氧化劑的綠色氧化技術，·OH具有氧化能力極強，加速水中有機物完全降解，且反應速度快、不產生二次污染等[3]。本文以苯酚作為靶標有機物，采用大氣壓強電場電離放電產生高濃度·OH進行去除飲用水中苯酚研究，探討苯酚的初始濃度、羥基比濃度、溫度對羥基自由基降解苯酚的影響。為了確定·OH等氧化自由基對大體積苯酚溶液的處理效果，在·OH比值濃度、溫度、苯酚濃度一定的條件下，研究·OH等氧化自由基對苯酚的處理效果隨時間的變化規律，為今后·OH等氧化自由基應急處理飲用水中苯酚提供實驗依據。

1材料與方法

1.1實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，強電離放電可以獲得折合電場強度大于500Td，電子的平均能量大于13eV，電子密度1015/cm3，這些足以使氧、水分子發生激發、超激發和電離、離解反應生成·OH。在強電離放電，每加入100eV能量就可以產生5.5個·OH和2.75個e-aq（水合電子），共可產生8.25個以上的？OH，產生·OH數目是弱電離放電的10余倍[4]，從而產生了高濃度的·OH。同時使用了高效氣液溶解裝置，提高了傳質效率，產生的·OH比值濃度可高達2.33mg/L。

1.2檢測儀器

LC2010-AHT型高效液相色譜儀（日本島津），恒溫水浴鍋，溫度計等。

1.3分析方法

·OH溶液質量濃度參考CJ/T 3028.2—94《碘量法》進行測定，測定臭氧水濃度后，換算成羥基自由基比值濃度（mg/L），羥基濃度=0.26183臭氧水的濃度[5]。采用島津（LC-2010型）高效液相色譜儀檢測水樣中苯酚含量。

2實驗結果及分析

2.1時間對處理效果的影響

實驗條件：·OH等氧化自由基產生裝置所產生溶液的·OH比值濃度2.54mg/L，處理時間15min，溫度22.8℃，苯酚濃度0.984mg/L。實驗結果如圖2所示。

采用強電離放電的方法產生高濃度的·OH等自由基溶液來處理飲用水中的苯酚具有非常好的處理效果。隨著時間的增長，苯酚的降解率明顯增大。15min內，·OH可將苯酚幾乎全部降解。

2.2 苯酚初始濃度對處理效果的影響

試驗中反應容器內的試驗條件如下：·OH比值濃度1.66mg/L，反應體積500ml，處理溫度20℃，各反應器中苯酚濃度分別為3.279mg/L、1.967 mg/L、0.984mg/L、0.492mg/L。實驗結果如圖3所示。

實驗考察了苯酚初始濃度C=3.279mg/L、1.967 mg/L、0.984mg/L、0.492mg/L時降解率隨時間的變化。由圖3可知：在30 min內，·OH比值濃度1.66mg/L，苯酚濃度為0.492mol/L時，溶液中苯酚幾乎可以被完全降解，濃度為2.5 mol/L時其降解率為63%。由此可見，隨著苯酚的初始濃度的增加，降解率迅速降低；若延長反應時間，苯酚的降解率可能會繼續提高，但反應速率會下降。

2.3 ·OH比值濃度對處理效果的影響

試驗中反應容器內的試驗條件如下：苯酚濃度0.984mg/L，反應體積500ml，處理溫度20℃，各反應器中·OH比值濃度分別為0.50mg/L、0.83mg/L、1.66mg/L、2.48mg/L。實驗結果如圖4所示。

實驗考察了·OH比值濃度C=0.50mg/L、0.83mg/L、1.66mg/L、2.48mg/L時降解率隨時間的變化。由圖4可知：在30 min內，苯酚濃度0.984 mol/L，羥基比值濃度為0.50 mol/L時降解率為47%，·OH比值濃度為2.48 mol/L時溶液中苯酚幾乎可以被完全降解。由此可見，隨著·OH比值濃度的增加，降解率迅速提高；若延長反應時間，苯酚的降解率可能會繼續提高，但反應速率會下降。

2.4溫度對處理效果的影響

試驗中反應容器內的試驗條件如下：苯酚濃度0.984mg/L，？OH比值濃度1.66mg/L，反應體積500ml，反應溶液溫度分別為14.2℃、20℃、24.8℃、31.7℃。實驗結果如圖5所示。

實驗考察了不同溫度下降解率隨時間的變化。由圖5可知：在30 min內，苯酚濃度0.984 mol/L，？OH比值濃度為1.66 mol/L時，反應溫度為14.2℃時降解率為96%，反應溫度為31.7℃時降解率為99%。由此可見，反應溫度對降解率的影響很小，但升高反應溫度也能提高降解率。

3 結論

采用強電離放電的方法產生高濃度的·OH等自由基溶液來處理飲用水中的苯酚具有非常好的處理效果，為今后·OH處理飲用水中苯酚的工業化應用提供了依據。在·OH比值濃度2.54mg/L，溫度21.5℃，苯酚濃度0.984mg/L，苯酚溶液體積0.1t的條件下，15min內·OH自由基可將苯酚幾乎全部降解。隨著苯酚初始濃度增加，其降解率減小隨著，·OH濃度、時間的增大，苯酚的降解率明顯增大。反應溫度對降解率的影響很小，但升高反應溫度也能提高降解率。

參考文獻：

[1]秦鵬. 高壓脈沖電暈降解液相苯酚的試驗研究[D].浙江大學，2008.

[2]董玉明，王光麗，蔣平平，張愛民. 陶瓷粉體催化臭氧化降解水中苯酚[J]. 水處理技術，2010，10：28-31.

[3]Hong Zhao， Chengwu Yi， Rongjie Yi， et al. Research on the degradation mechanism of dimethyl phthalate in drinking water by strong ionization discharge[J]. Plasma Science and Technology，2018， 20（3）： 1-9.

[4]Li Yang， Yi Chengwu， Li Jingjing， et al. Experimental Research on the Sterilization of Escherichia Coli and Bacillus Subtilis in Drinking Water by Dielectric Barrier Discharge. Plasma Science and Technology，2016，18 （2）： 173-178.

[5]Anastas P T， Bartlett L B， Kirchhoff M M et al. The Role of Catalysis in the Design [J]， Development and Implementation of Green Chemistry.Gatalysis， 2000，55：11-22.

作者簡介：

郭若軍（1976-），男，漢族 ，遼寧，副總經理，黨員，高級工程師碩士，研究方向：主要從事環保能源生產管理和技術研究。

*項目：鎮江市重點研發項目-強電離放電羥基自由基有機廢氣防治技術應用研究，SH2017056