高鐵酸鉀氧化處理對氯苯酚廢水的研究

劉菲，趙勝勇，劉啟龍

(1.河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州 450052；2.河南省工業廢水吸附分離工程技術研究中心，河南 鄭州 450052)

對氯苯酚是一種含氯類芳香族化合物，具有高毒、易燃等有害特性[1-2]，不易降解，主要用作藥物、染料、化工中間體[3]。對氯苯酚廢水治理方法有物理法[4-7]、生物法[8-10]、化學法[11-15]等，其中化學法具有設備要求相對簡單、成本低廉等較大優勢，被化工企業廣泛應用[16]。

高鐵酸鹽作為一種高價鐵含氧化合物，自身氧化電位高，具有很強的氧化特性，在廢水處理過程中不僅可以進行氧化處理有機物，還具有吸附、絮凝和助凝等多種協同作用，反應產物無毒、無害，是近年來研究的熱點[17-18]。本研究以對氯苯酚模擬廢水為研究目標，使用高鐵酸鉀為氧化劑，研究了不同因素對廢水處理效果的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對氯苯酚、氫氧化鈉、硫酸、硫代硫酸鈉等均為分析純；對氯苯酚廢水為模擬廢水，配制含量為100.0 mg/L；高鐵酸鉀，采用次氯酸鹽氧化法制備(純度98.0%)。

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；LC-10AP液相色譜儀；PHS-25臺式數顯pH計；JJ-1000型電子天平。

1.2 實驗方法

在室溫25 ℃的條件下，將100.0 mL對氯苯酚廢水加入到250 mL的三口圓底燒瓶中，打開磁力攪拌，使用氫氧化鈉(粉末狀)或硫酸水溶液(50%)調節廢水溶液的pH值，然后加入高鐵酸鉀(粉末)，到達設定時間60 min之后，使用硫代硫酸鈉飽和溶液結束反應。取2.5 mL反應溶液進行離心處理，吸取上層溶液使用液相色譜進行對氯苯酚殘留濃度分析，計算對氯苯酚去除率。

1.3 分析方法

將取出的上層液體稀釋為原來的1/10后直接進樣，使用液相色譜儀分析對氯苯酚濃度，色譜柱為C18反相色譜柱，流動相為甲醇∶水=70∶30(體積比)，流速為1.0 mL/min，檢測波長為280 nm，柱溫25 ℃。根據色譜峰保留時間定性，采用色譜峰面積外標法進行定量分析。計算對氯苯酚去除率。

式中C0——對氯苯酚初始濃度，mg/L；

Ct——對氯苯酚殘留濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 高鐵酸鉀與對氯苯酚質量比對對氯苯酚去除率的影響

在1.2節的反應條件下，氧化反應時間為 60 min、廢水溶液pH值調節為7，高鐵酸鉀與對氯苯酚的質量比對處理對氯苯酚效果的影響見圖1。

圖1 高鐵酸鉀與對氯苯酚的質量比對對氯苯酚去除率的影響Fig.1 Effect of mass ratio potassium ferrate to p-chlorophenol on the removal rate of p-chlorophenol

由圖1可知，對氯苯酚去除率隨高鐵酸鉀與對氯苯酚的質量比的增大而持續增高，當兩者質量比>20之后，去除率保持不變。這個結果和高鐵酸鉀處理其它酚類物質非常類似，其機理可以簡單分析如下：對氯苯酚質量不變的情況下，高鐵酸鉀的質量不斷增加，高鐵酸鉀與對氯苯酚分子之間的碰撞頻率逐漸增大，從而造成氧化反應速度不斷加快，而當高鐵酸鉀與對氯苯酚的質量比到達20時，碰撞的幾率達到最高，氧化反應速度不再增加。所以，高鐵酸鉀與對氯苯酚的最佳質量比為20，處理后廢水的對氯苯酚濃度為19.5 mg/L，對氯苯酚去除率為80.5%。

2.2 氧化反應時間對對氯苯酚去除率的影響

在2.1節的反應條件下，氧化反應時間對處理對氯苯酚效果的影響見圖2。

圖2 氧化反應時間對對氯苯酚去除率的影響Fig.2 Effect of oxidation reaction time on the removal rate of p-chlorophenol

由圖2可知，對氯苯酚去除率隨著氧化反應時間的延長先增加后平穩，對氯苯酚去除率30 min就達到最大值80.5%，繼續延長反應，對氯苯酚去除率保持不變。在反應初期，高鐵酸鉀和對氯苯酚濃度最高，兩者碰撞的幾率最高，氧化反應速度最快，但是隨著反應的進行，兩者濃度不斷減小，碰撞的幾率降低，反應效率逐步減慢。因此，最佳反應時間為 30 min，對氯苯酚去除率為80.5%。

2.3 廢水pH值對對氯苯酚去除率的影響

在2.2節的反應條件下，進一步優化反應條件，廢水的pH值對處理對氯苯酚效果的影響見圖3。

圖3 廢水溶液pH值對對氯苯酚去除率的影響Fig.3 Effect of wastewater solution pH value on the removal rate of p-chlorophenol

由圖3可知，隨著對氯苯酚廢水的pH值增加，對氯苯酚去除率是先增加后降低，在pH值為4的59.4%逐步提高到pH值為9時達最大值94.3%，隨后又逐漸降低。由此可見，pH 8～10條件下高鐵酸鉀處理對氯苯酚的能力最強。這個結果和高鐵酸鉀處理其它酚類物質非常類似，結合高鐵酸鉀在酸堿條件下的氧化性、穩定性可知[19]，高鐵酸鉀氧化性是酸性條件強于堿性條件，而穩定性則堿性條件強于酸性條件，所以pH值為8～10的時候，高鐵酸鉀氧化能力最好，使得對氯苯酚去除率達到最高。因此，最佳pH為9，對氯苯酚去除率為94.3%，處理后廢水的對氯苯酚濃度為4.7 mg/L。

3 結論

高鐵酸鉀在處理對氯苯酚廢水中具有氧化速度快、對氯苯酚去除率高等優點。在100 mL模擬廢水中對氯苯酚濃度為100.0 mg/L時，最佳去除對氯苯酚的條件是：高鐵酸鉀與對氯苯酚質量比為20，氧化反應時間30 min，廢水pH值為9，剩余對氯苯酚濃度為4.7 mg/L，對氯苯酚去除率高達94.3%。