超聲波強(qiáng)化類Fenton體系對(duì)亞甲基藍(lán)廢水的處理效果試驗(yàn)研究

李佳承，李亞峰，滿心祁

超聲波強(qiáng)化類Fenton體系對(duì)亞甲基藍(lán)廢水的處理效果試驗(yàn)研究

李佳承1，李亞峰1，滿心祁2

（1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2. 中電系統(tǒng)建設(shè)工程有限公司，北京 102488）

為提升fenton法處理效果，闡述超聲波強(qiáng)化類fenton體系對(duì)亞甲基藍(lán)廢水的處理效果研究。通過(guò)控制控制超聲波頻率、超聲波功率來(lái)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并最終確定最優(yōu)反應(yīng)條件下的去除效果。研究表明當(dāng)pH值調(diào)節(jié)為3，F(xiàn)e3O4-MnO2-PAC的投加量為0.8 g·L-1，投入 H2O2的量為0.8 Qth，設(shè)備溫度為25 ℃，得出最佳超聲頻率為28 kHz，最佳超聲功率為120 W，用超聲波強(qiáng)化類Fenton法處理亞甲基藍(lán)廢水，反應(yīng)時(shí)間為90 min時(shí)，色度平均去除率為99.31%，COD的平均去除率為85.22%。

Fenton法；超聲波強(qiáng)化；COD；色度

近年來(lái)，超聲波被普遍用以工業(yè)水處理方面，大量的研究表明，超聲技術(shù)對(duì)降解廢水中的有機(jī)污染物有著顯著效果，比如酚類有機(jī)化合物［1］、聚合物、芳香族有機(jī)化合物［2］等等，該技術(shù)的發(fā)展前景良好。

在超聲波自身的空化作用下，溶液中會(huì)產(chǎn)生氣穴微泡，微泡的破裂會(huì)使反應(yīng)器的局部產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，使得有機(jī)污染物在高溫條件下發(fā)生熱解反應(yīng)從而得到去除，并且高溫高壓的環(huán)境能夠使反應(yīng)物活化，加快催化降解速率，使去除效果提升。

在Fe3O4-MnO2類Fenton體系處理亞甲基藍(lán)廢水最佳試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上［3］，本文加入了超聲波的輔助作用。利用超聲波降解有機(jī)物時(shí)，對(duì)處理效果產(chǎn)生影響的因素有很多［4］，不僅有超聲系統(tǒng)方面的因素，還有整個(gè)反應(yīng)體系的性質(zhì)因素，在本試驗(yàn)我們主要選擇超聲功率和超聲頻率這兩個(gè)因素來(lái)探討，討論了超聲波功率和超聲波頻率對(duì)于超聲波強(qiáng)化類Fenton體系處理亞甲基藍(lán)廢水處理效果的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 Fenton試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用六聯(lián)同步自動(dòng)升降攪拌機(jī)，可以設(shè)定運(yùn)行時(shí)間和轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 Fenton試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

1.1.2 超聲強(qiáng)化類Fenton反應(yīng)裝置

超聲波強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton法處理亞甲基藍(lán)廢水的試驗(yàn)研究均在超聲波清洗槽內(nèi)進(jìn)行。該反應(yīng)器可以自行調(diào)節(jié)其超聲時(shí)間（min）和超聲功率（W）以及超聲頻率（KHz）。試驗(yàn)裝置原理圖如圖2所示，超聲波清洗槽如圖3所示。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)水樣采用模擬亞甲基藍(lán)廢水，控制模擬廢水中COD質(zhì)量濃度為165.9 mg·L-1，色度為1 522.5（倍）。

1.3 分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法

本試驗(yàn)所需進(jìn)行檢測(cè)的項(xiàng)目及檢測(cè)方法均按照國(guó)家環(huán)保局編寫的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》［5］中規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。主要檢測(cè)項(xiàng)目及分析檢測(cè)方法見表1。

圖2 試驗(yàn)裝置原理圖

圖3 超聲波清洗槽

表1 水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目以及測(cè)試方法

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波功率對(duì)處理效果的影響

制備6份100 mL亞甲基藍(lán)試驗(yàn)水樣，其色度1 523.9（倍），COD質(zhì)量濃度為166.2 mg·L-1，分別加入6個(gè)500 mL的燒杯中。用配制好的稀硫酸和氫氧化鈉溶液分別調(diào)節(jié)pH為3，然后依次向每一個(gè)燒杯中固定投加0.8 g·L-1的催化劑Fe3O4-MnO2- PAC，投加H2O2的量為0.8 Qth，將超聲波設(shè)備的溫度調(diào)節(jié)到25 ℃，超聲頻率調(diào)節(jié)為28 kHz，調(diào)整超聲功率分別為75、90、105、120、135、150 W，設(shè)置超聲輻射時(shí)間為120 min，待反應(yīng)結(jié)束以后，關(guān)閉超聲波反應(yīng)器，取得上清液，一部分用分光光度計(jì)測(cè)出其出水COD濃度，另一部分用比色法測(cè)量其出水色度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖4可以得出，隨著超聲波功率的增大，超聲波強(qiáng)化類Fenton體系處理亞甲基藍(lán)廢水的處理效果越來(lái)越好。在超聲功率為120 W時(shí)，亞甲基藍(lán)色度去除率和COD降解效率較好，色度幾乎完全去除，COD的去除效率達(dá)到87.31%，出水的COD質(zhì)量濃度為21.09 mg·L-1。

圖4 超聲波功率對(duì)超聲強(qiáng)化類Fenton法對(duì)亞甲基藍(lán)廢水處理效果的影響

此后隨著儀器超聲功率的繼續(xù)增大，去除率上升幅度較小，在到達(dá)150 W時(shí)，COD去除效率為87.62%，比120 W時(shí)COD去除率上升了0.31%。超聲波的功率越高，對(duì)亞甲基藍(lán)廢水的處理效果就越好，但是在超聲功率增大到150 W時(shí)，COD去除率只比120 W時(shí)超聲功率時(shí)增加了0.31%。這是因?yàn)樵诔暡üβ时容^低時(shí)，超聲波的空化作用比較弱，不利于對(duì)溶液中COD濃度的減少。超聲波的功率增大后，溶液內(nèi)部的空化作用加強(qiáng)，產(chǎn)生大量的氣穴微泡，隨著氣穴微泡內(nèi)部積攢的能量越來(lái)越多，當(dāng)氣穴微泡達(dá)到臨界點(diǎn)破裂后在局部會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，有機(jī)物在高溫的條件下更有利于被去除。同時(shí)在超聲波的持續(xù)空化作用下，溶液中·OH的濃度升高，催化降解的速率加快，對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解效果增強(qiáng)［6］。另外還因?yàn)殡S著超聲波功率的增強(qiáng)對(duì)溶液的攪拌作用也會(huì)隨之增強(qiáng)，使得·OH與亞甲基藍(lán)溶液之間充分接觸，從而使得去除率升高。去除效果增長(zhǎng)不明顯，但是卻增加了運(yùn)行成本，所以該試驗(yàn)的最佳超聲功率選擇120 W［7-9］。

2.2 超聲波頻率對(duì)處理效果的影響

取100 mL試驗(yàn)水樣4份， COD質(zhì)量濃度為167.8 mg·L-1，其色度為1 522.2（倍），分別加入4個(gè)500 mL的燒杯中。用配制好的稀硫酸和和氫氧化鈉溶液分別調(diào)節(jié)pH為3，然后依次向每一個(gè)燒杯中固定投加0.8 g·L-1的催化劑Fe3O4-MnO2-PAC， H2O2的投加量為0.8 Qth，均勻攪拌，隨后在超聲波清洗槽中放入燒杯，將超聲波設(shè)備溫度調(diào)節(jié)到25 ℃，功率調(diào)節(jié)為固定的120 W，分別調(diào)整頻率為25、28、40、60 kHz，設(shè)置輻射時(shí)間為120 min，待反應(yīng)結(jié)束以后，關(guān)閉超聲波反應(yīng)器，將待測(cè)液靜置一段時(shí)間，然后取距離液面1 cm處的上清液，一部分用分光光度計(jì)測(cè)定出水COD濃度，另一部分用比色法測(cè)量出水色度。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 超聲波頻率對(duì)超聲強(qiáng)化類Fenton法降解亞甲基藍(lán)處理效果的影響

從圖5能夠得出，隨著超聲波頻率不斷增大，亞甲基藍(lán)色度的去除率和COD去除效率都隨之降低。在超聲波頻率達(dá)到25 kHz時(shí)，其色度去除率和COD去除效率均達(dá)到最大值，其色度幾乎完全被去除，COD的去除率為88.16%。當(dāng)超聲波頻率為28 kHz，色度去除率仍然是100%，而COD去除效率有稍微降低，降低為87.33%，相比頻率為25 kHz時(shí)降低了0.83%。超聲頻率增大到60 kHz，其色度去除率僅達(dá)到89.24%，COD去除效率僅達(dá)到76.82%，降解效果不好。這主要是因?yàn)楫?dāng)超聲波的頻率增大時(shí)，意味著聲波的周期時(shí)間縮短，周期縮短后給予空化泡從開始到瀕臨崩潰的過(guò)程提供的時(shí)間大大減少，不利于空化泡的成長(zhǎng)，所以發(fā)生空化效應(yīng)的機(jī)會(huì)和強(qiáng)度減弱，所以在頻率升高后生成的·OH不足以降解廢水的有機(jī)污染物，導(dǎo)致降解效果不好，去除率下降。綜上所述，在超聲頻率為25 kHz時(shí)去除效果最佳，但是因?yàn)?5 kHz以下都是人們能夠聽到的聲音范圍，會(huì)在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生噪音，給試驗(yàn)過(guò)程帶來(lái)負(fù)擔(dān)。所以本試驗(yàn)選擇28 kHz作為最佳超聲頻率。

2.3 最優(yōu)反應(yīng)條件下的去除效果

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)的討論可以得出，超聲波強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解此類廢水時(shí)的最佳超聲功率為120 W，最佳超聲頻率為28 kHz。筆者研究了在最優(yōu)處理?xiàng)l件下，超聲波強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系對(duì)此類廢水的處理效果，與Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解此類廢水時(shí)的效果進(jìn)行對(duì)比，研究超聲波的強(qiáng)化輔助作用對(duì)整個(gè)體系的影響。通過(guò)上述試驗(yàn)做的單因素試驗(yàn)此類廢水降解效果研究，可以確定了超聲波強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解此類廢水的試驗(yàn)研究最優(yōu)試驗(yàn)條件為：取進(jìn)水色度為1 531.1（倍），進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為167 mg·L-1的廢水，pH值調(diào)節(jié)為3，催化劑Fe3O4-MnO2-PAC的投加量為0.8 g·L-1，投加H2O2的量為0.8 Qth，攪拌均勻，然后將燒杯放入到超聲波清洗槽中，將超聲波設(shè)備的溫度調(diào)節(jié)到25 ℃，超聲功率固定為120 W，調(diào)整超聲頻率為28 kHz，待超聲時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60、90、120 min時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 最優(yōu)條件下三次平行試驗(yàn)的處理結(jié)果

從圖6可以看出在30 min內(nèi)，平均出水色度已經(jīng)降低到180.4（倍），平均去除率已經(jīng)增長(zhǎng)到88.04%，色度去除率急劇上升；出水COD質(zhì)量濃度降低為81.27 mg·L-1，COD去除率51.15%，降解效果顯著。在30 min后能夠得出，去除率上升趨勢(shì)緩慢，對(duì)這種廢水的降解速度減慢，到120 min時(shí)，其色度去除率和COD降解效率都達(dá)到最大，三次試驗(yàn)的色度平均去除率為100%，比反應(yīng)進(jìn)行到60 min時(shí)增長(zhǎng)了2.26%，三次試驗(yàn)的COD平均去除率為87.62%，比反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)增加了7.54%。

通過(guò)對(duì)最優(yōu)處理效果的研究，在其余試驗(yàn)條件均相同的基礎(chǔ)上，將超聲波強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系對(duì)此類廢水的處理結(jié)果，與普通Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解此類廢水時(shí)的處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：超聲強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton法處理廢水后，亞甲基藍(lán)廢水色度和COD去除率均比單獨(dú)類Fenton法處理時(shí)有所提高。用超聲強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton法處理廢水90 min時(shí)，色度和COD的平均去除率分別為99.31%和85.22%，可達(dá)到單普通Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系處理此類廢水120 min時(shí)的處理效果。說(shuō)明超聲波對(duì)類Fenton法有強(qiáng)化作用，對(duì)反應(yīng)有促進(jìn)作用，不僅提高了降解效果，并且在節(jié)約反應(yīng)時(shí)間上也作出了貢獻(xiàn)。

3 結(jié) 論

1）超聲波強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解亞甲基藍(lán)廢水時(shí)的最佳超聲功率為120 W。

2）超聲波強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解亞甲基藍(lán)廢水時(shí)的最佳超聲頻率為28 kHz。

3)用超聲強(qiáng)化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton法處理廢水90 min時(shí)，色度平均去除率為99.31%，COD的平均去除率為85.22%，可達(dá)到單獨(dú)類Fen處理廢水120 min時(shí)的降解效果。

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Experimental Study on Treatment Effect of Ultrasonic Enhanced Fenton-like System on Methylene Blue Wastewater

1,1,2

（1. School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China; 2. China Power System Construction Engineering Co., Ltd.，Beijing 102488，China）

In order to improve the treatment effect of the Fenton method, the research on the treatment effect of the ultrasonic-enhanced Fenton system on methylene blue wastewater was introduced.The single-factor test was carried out by controlling the ultrasonic frequency and ultrasonic power, and finally the removal effect under the optimal reaction conditions was determined. The research results showed that when the pH value was adjusted to 3, the dosage of Fe3O4-MnO2-PAC was 0.8g·L-1, the amount of H2O2was 0.8Qth, and the equipment temperature was 25℃, the best ultrasonic frequency was 28kHz and the best ultrasonic power was 120W, the reaction time was 90 min, the average removal rate of chroma was 99.31%, and the average removal rate of COD was 85.22% by using ultrasonic enhanced Fenton method to treat methylene blue wastewater.

Fenton method; Ultrasound enhancement; COD; Chroma

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題，遼河流域水污染治理與水環(huán)境管理技術(shù)集成與應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)：2018ZX07601001）。

2020-11-10

李佳承（1996-），男，遼寧省鞍山市人，碩士研究生，2019年畢業(yè)于沈陽(yáng)建筑大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：污水處理理論與技術(shù)。

X703.1

A

1004-0935（2021）04-0460-04