電-Fenton法降解苯酚溶液研究

文_吳玉柱 杭州杭新固體廢物處置有限公司

含酚廢水主要來自石油化工廠、樹脂廠、塑料廠、合成纖維廠、煉油廠和焦化廠等化工企業，它是主要水體污染物之一。酚類化合物是一種原型質毒物，會對人類健康和動植物產生嚴重危害。

1 降解苯酚的主要方法

含酚廢水的污染范圍廣、危害性大，因此對酚類廢水的治理也越來越受到人們的關注。常規的處理酚類廢水的方法主要包括吸附法、萃取法、膜分離法、氧化法以及生物法。

1.1 吸附法

吸附法是利用多孔性固體物質，如活性炭、桂藻土、活性氧化鋁、交換樹脂等作為吸附劑，根據吸附劑與酚類化合物之間的作用力不同，達到吸附酚類物質的目的。在對吸附劑的選取時，主要考慮其吸附性能、吸附容量及重復使用性。

1.2 氧化法

處理酚類廢水的氧化法主要包括：化學氧化法、光催化氧化法、電催化氧化法、微波化學氧化法等。氧化法可以將酚類廢水直接轉化為CO2和H2O，或轉化為其他有機物提高溶液的可生化性。主要用到的氧化劑包括H2O2、O3、TiO2光催化、芬頓試劑等。

1.3 生物處理法

生物處理法是利用微生物吸附的原理分解水中的酚類物質，使其轉變為穩定的無害物質。生物處理法主要包括好氧生物處理法，厭氧生物處理法及厭、好氧結合生物處理技術。它們的優點是設備簡單、處理效果好、受溫度等條件影響比較小。由于工業有機廢水中存在成分復雜，很多成分對生化反應起著抑制作用，且生物處理法只能降解低濃度的含酚廢水，所以這種方法不能運用在廢水的預處理階段。

2 電-Fenton降解苯酚實驗

本實驗采用陰陽極結合的電-Fenton法，以鐵片作為陽極提供Fe2+，石墨作為陰極，通過還原空氣中的O2產生H2O2。由于陰極產生的H2O2并不能滿足整個體系之間的配料比，所以在反應時需要投加一定濃度的H2O2。如一次性將H2O2加入到反應體系中，在反應初期，H2O2的濃度過高導致與·OH發生反應，生成·OOH，而·OH的電位高于·OOH，使體系中的氧化能力減弱。發生的副反應為：

H2O2+OH→HOO·+H2O

故在投加H2O2時，采用分次投加的方法，提高H2O2的利用率。對反應體系中電流密度、H2O2濃度、時間、初始pH值、初始苯酚濃度對降解苯酚的影響進行了考察，采用正交試驗設計法確定了最佳的實驗條件。

實驗方法：取600mL，1g/L的苯酚溶液在1L的燒杯中，在溶液內加入一定量的Na2SO4溶液作為電解質，并用H2SO4或者NaOH調節pH到一定的值，然后將所調節后的pH值的溶液平均分成6份，每份100mL溶液作為實驗的降解對象，使用磁力攪拌器攪拌，以鐵片（1cm×1cm）作為陽極，石墨棒作為陰極。

電解前，先向反應裝置內通10min氣體流速為5m3/L的空氣。反應開始時，每隔一定時間向體系中加入一定量的H2O2，反應到一定時間后，檢測水樣的苯酚含量和COD值。

3 結果與討論

3.1 時間對苯酚降解的影響

實驗降解100mL，1g/L的苯酚溶液作為實驗對象，調節溶液pH為3，加入0.05mol/LNa2SO4電解質溶液，外部施加的電流密度為2.1mA/cm2，加入20ml30%的H2O2，測定苯酚的去除率隨時間的變化曲線，最佳的反應時間為2h。

3.2 加入H2O2濃度對苯酚降解的影響

H2O2是Fenton體系中至關重要的因素。若直接用H2O2礦化苯酚，反應式如式為：

在本實驗的電-Fenton體系中產生的H2O2的量相對較少。為了達到預期效果，在反應開始時，每隔10min加入相同量的30%H2O2，共加10次。加入總的H2O2的體積依次為0ml、3.20 ml、6.39ml、9.58ml、12.78ml、15.98ml、19.2ml。此時體系中加入 H2O2與苯酚的摩爾比分別為 0：1，1：1，2：1，3：1，4：1，5：1，6：1。實驗結果如圖1，當體系中未加入H2O2時，苯酚去除率為68.7%，COD降解率僅為38.32%。苯酚去除率和COD降解率均隨加入H2O2與苯酚的摩爾比的增大而增大，但是當H2O2與苯酚的摩爾比增加到4：1后，苯酚去除率和COD降解率的增加幅度逐漸減小，說明反應體系中H2O2的利用率降低，故本實驗反應體系加入的H2O2，與苯酚的最佳摩爾比為4：1，即加入總的30%H2O2的體積為12.78ml。

3.3 苯酚初始濃度對苯酚降解的影響

苯酚的初始濃度也會影響苯酚的降解效率。在電流密度為8.53 mA/cm2，pH值為3，分次加入12.78ml30% H2O2，反應電解120min。在此實驗條件下電解100mL苯酚初始濃度分別為100mg/l、200mg/l、500mg/l、1000mg/l苯酚溶液，實驗結果，苯酚去除率隨苯酚的初始濃度變化不大，都有95%以上，但COD去除率隨著初始苯酚溶液濃度有一定的變化，雖然苯酚的初始濃度降低，COD去除率逐漸上升，但COD去除率達到一定數值時，就不會再上升了。這是因為在同一反應體系中生成的·OH的數目一定，理論上氧化的苯酚的摩爾量是一定的，但溶液中的苯酚摩爾量逐漸減少到一定程度，苯酚的分布密度減少·OH能捕獲到苯酚和其他有機物的能力也會相應減弱，導致苯酚溶液初始濃度低，COD去除率也不能達到100%。且苯酚的去除率在數值上都大于COD降解率，這是因為苯酚在被氧化的過程中，·OH并不是一步將苯酚轉化為CO2的，在氧化過程中，會生成很多中間產物，例如對苯醌、鄰苯醌等。在苯酚轉化為其他有機物的過程中，如果以苯酚去除率作為指標，在反應過程中，苯酚會反應或轉化成其他有機物，但如果使用COD作為指標，溶液的中有機物的COD并沒有完全降解。故在數值上，苯酚去除率會高于COD降解率。

3.4 初始pH值對苯酚降解的影響

傳統的Fenton體系中最佳pH值為2～4，當pH過小時，體系反應速率會減弱，當pH過大時，體系中的Fe2+和Fe3+會發生沉淀，影響Fenton反應進行。實驗在pH值為2～4取了5個點，在電流密度為8.53 mA/cm2，每隔10min加入相同體積的H2O2，共加10次，加入總的30%H2O2體積為12.87ml，反應總時長為120min，降解100ml，1g/l苯酚溶液，考察初始pH值對苯酚降解的影響。實驗結果，苯酚的降解情況均在pH=3的左右兩側，隨著pH的增大苯酚的去除率和COD去除率逐漸減小，在此實驗條件下，最佳pH值為3。

4 結語

本研究以初始濃度為1g/L的苯酚溶液作為研究對象，使用電-Fenton法，采用單一因素變量，考察了電流密度、外加H2O2的濃度、苯酚初始濃度、pH等變量對苯酚去除率和COD的降解率的影響，實驗結論如下：

（1）本研究的反應體系，最佳反應時間為2h。

（2）利用本研究采用的電-Fenton體系，在此實驗條件下電流密度最佳為8.53 mA/cm2。電流密度過大，會增加副反應的進行。

（3）由于電-Fenton體系中所產生的H2O2的量不足以氧化水中苯酚的量，故采用分次外加H2O2的濃度來提高體系的氧化能力。外加H2O2的濃度的量越多，氧化能力越強，但是加入H2O2的量達到一定程度時，加的H2O2越多，體系中H2O2的利用率會隨之減小，故選用適合的濃度。本實驗的最適H2O2與苯酚摩爾比為 4：1。

（4）當被降解溶液的初始濃度越大，其降解率也隨之增大。實驗中苯酚的初始濃度過高，苯酚的去除率和COD的降解率也就越來越大。

（5）pH值在電-Fenton體系中起著至關重要的作用，過酸影響反應速率，過堿會產生Fe(OH)2、Fe(OH)3沉淀。在本文實驗中，最適的pH為3。