微電解-Fenton凈化對氨基苯酚廢水研究

榮俊鋒，付雅婷，魏世晉，朱家輝，丁芷君，李伏虎，張曄

(安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001)

對氨基苯酚廢水是常見高鹽廢水的一種，直接排入環境，會對人類健康和環境產生巨大的危害。隨著我國經濟持續高速發展，高鹽廢水處理迫在眉睫[1]。較為典型的對氨基苯酚(PAP)廢水， 近年來引起了科研工作者廣泛關注。探索耗能低、方法簡單、環境友好、二次污染低的技術成為研究的熱點。微電解法[2]、Fenton法[3-5]因其自身優勢,在廢水治理領域應用廣泛。微電解-Fenton中，活性炭、鐵屑發生微小電解反應，這種反應會產生 Fe2+，它與 H2O2組成強氧化體系[6-9]，產生的·OH在酸性條件下氧化性很強，對 COD和色度去除效果顯著。本研究采用微電解-Fenton法凈化對氨基苯酚廢水。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硫酸亞鐵、鄰菲羅啉、鄰苯二甲酸氫鉀、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸銀、濃硫酸、雙氧水、活性炭、雙氧水(30%)均為分析純。廢鐵屑(校金工車間收集)；0.5 g/L PAP溶液，棕色，有刺激性氣味，COD為2 125 mg/L，pH值為6.3，色度為780。

DF-II數顯集熱式磁力攪拌器；DZS-706多參數水質分析儀；78HW-1磁力攪拌器；PTF-A電子天平；HCA-100標準COD消解器；LH-SD500色度檢測儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 廢鐵屑預處理 稱取一定量的廢鐵屑置于燒杯中，用10%的NaOH溶液浸泡洗滌30 min，去除油污。用去離子水沖洗至中性，用5%的稀硫酸浸泡活化30 min。用去離子水反復沖洗至中性，烘干，備用。

1.2.2 微電解工藝[10-11]稱取10 g預處理后的廢鐵屑，0.5 g活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值分別為3，進行60 min微電解反應，檢測廢液COD和色度去除率。

1.2.3 微電解-Fenton工藝[12]稱取10 g預處理后的廢鐵屑，0.5 g活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值3，投加5 mL雙氧水，進行60 min微電解反應，檢測COD和色度去除率。

2 結果與討論

2.1 微電解工藝參數對對氨基苯酚廢水去除效果 的影響

2.1.1 pH值對去除率的影響 稱取10 g預處理后的廢鐵屑，0.5 g活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值，進行60 min微電解反應，考察pH值對COD和色度去除率的影響，結果見圖1。

圖1 pH值與去除率關系Fig.1 The relationship between pH and removal rate

由圖1可知，COD的去除率隨pH增大呈現出先上升后下降趨勢，pH在3時，COD去除率最高。這是因為pH較低時，大量鐵與廢水中酸反應，生成H2和Fe2+，使原電池反應順暢進行，H2還原PAP，使其被去除；但在pH過低時，會導致腐蝕加劇，微電解變緩；較高pH，產生Fe2+量不足，且堿性條件下鐵活性低，使原電池反應不易進行，生成的H2不足，導致還原作用不足，PAP不能很好地被去除。由此確定最佳pH值為3。

2.1.2 反應時間對去除率的影響 稱取10 g預處理后的廢鐵屑，0.5 g活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值為3，進行微電解反應。考察反應時間對COD和色度去除率的影響，結果見圖2。

由圖2可知， COD去除效果隨著反應時間的延長而逐步提升。當反應60 min時，去除效率最大，60 min以后，隨反應時間延長，COD去除效果增加不明顯。這是因為隨著反應時間延長，廢水中PAP逐步氧化降解，反應時間達60 min時，鐵屑“鈍化”，微電解減弱，此時PAP大部分已被降解掉，延長時間，氧化效率提高也不明顯[6]。最佳反應時間選擇60 min。

圖2 反應時間與去除率關系Fig.2 The relationship between reaction time and removal rate

2.1.3 廢鐵屑投加量對去除率的影響 稱取0.5 g活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值為3，加入預處理后的廢鐵屑，微電解反應60 min。考察廢鐵屑投加量對COD和色度去除率的影響，結果見圖3。

圖3 廢鐵屑投加量與去除率關系Fig.3 The relationship between dosage of scrap iron and removal rate

由圖3可知，去除率隨廢鐵屑投加量增加不斷增加，廢鐵屑投加量≥10 g(50 g/L)時，去除率變化不大。因為隨鐵屑量的增加，體系中原電池數量也在不斷增加，可以與·OH 形成的氧化強度也隨之增加，使去除率上升；當鐵屑達一定量，形成的原電池數量達到最大，去除率基本保持不變[2-6]。因此，確定廢鐵屑最佳投加量為10 g。

2.1.4 鐵炭比對去除率的影響 稱取10 g預處理后的廢鐵屑，稱取活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值為3，微電解反應60 min。考察鐵炭比對COD和色度去除率的影響，結果見圖4。

由圖4可知，鐵炭質量比20∶1是一個分界線，之前去除率不斷增加，之后增加不大，活性炭的投加量不是越多越好，因為活性炭用量不斷增加會使有機污染物顆粒吸附在其表面的概率增大，導致原電池量達最大[10-11]。因此，最佳鐵炭比為20∶1。

圖4 鐵炭質量比與去除率關系Fig.4 The relationship between iron carbon ratio and removal rate

2.2 微電解-Fenton工藝參數對對氨基苯酚廢水 去除效果的影響

2.2.1 pH值對去除率的影響 稱取10 g預處理后的廢鐵屑，0.5 g活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值，投加5 mL雙氧水，進行60 min微電解反應，考察微電解-Fenton共同作用下，pH值對COD和色度去除率的影響，結果見圖5。

圖5 反應pH值與去除率關系Fig.5 The relationship between pH and removal rate

由圖5可知，可知微電解-Fenton共同作用效果比單獨微電解要好很多，且隨pH值增加去除率先增大后減小。當pH為3時，COD去除率最高，達96.53%。這是因為，pH值較低時，酸腐蝕速度過快，影響Fe2+再生，催化反應受阻；pH值較高時，又會抑制水中OH-產生，使廢液中Fe2+、Fe3+以氫氧化物形式沉淀下來，催化能力喪失，pH較高也使H2O2無效分解幾率增加，去除效率降低[11]。微電解-Fenton工藝最佳初始pH為3。

2.2.2 反應時間對去除率的影響 稱取10 g預處理后的廢鐵屑，0.5 g活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值為3，投加5 mL雙氧水，進行微電解反應，考察微電解-Fenton共同作用下，反應時間對COD和色度去除率的影響，結果見圖6。

圖6 反應時間與去除率關系Fig.6 The relationship between reaction time and removal rate

由圖6可知，隨著反應時間延長，去除效率也隨之提高。反應60 min時，去除率達到最大。因為H2O2氧化反應速度較快，能在短時間內把PAP氧化，延長反應時間只能使去除率稍微提高[10-11]。由此，微電解-Fenton工藝最佳反應時間為60 min。

2.2.3 雙氧水投加量對去除率的影響 稱取10 g預處理后的廢鐵屑，0.5 g活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值為3，投加雙氧水，微電解反應60 min，考察微電解-Fenton共同作用下，雙氧水投加量對COD和色度去除率的影響，結果見圖7。

圖7 雙氧水投加量與去除率關系Fig.7 The relationship between H2O2 addition and removal rate

由圖7可知，去除率隨雙氧水投加量的增加而增加。當雙氧水投加量達到6 mL(30 mL/L)時，COD和色度去除率達到93.72%和95.7%。因為·OH 含量隨雙氧水用量增加而增加，導致體系氧化性不斷增大。雙氧水用量大于 6 mL時，由于濃度較大，雙氧水一方面自身分解加劇，另H2O2和 Fe2+反應生成 Fe3+失去還原性[11]。因此，微電解-Fenton工藝最佳雙氧水投加量6 mL。

2.2.4 鐵炭比對去除率的影響 稱取10 g預處理后的廢鐵屑，稱取活性炭放入200 mL廢液中，調節廢液pH值為3，投加6 mL雙氧水，微電解反應60 min， 考察微電解-Fenton共同作用下，鐵炭比對COD和色度去除率的影響，結果見圖8。

由圖8可知，鐵炭質量比20∶1是一個分界線，之前去除率不斷增加，之后增加不大。微電解-Fenton工藝最佳鐵炭比為20∶1。

圖8 鐵炭比與去除率關系Fig.8 The relationship between iron carbon ratio and removal rate

2.2.5 正交實驗 在單因素實驗基礎上，以雙氧水投加量、鐵炭質量比、溶液pH值、反應時間為因素，進行正交實驗。因素與水平見表1，結果見表2。

表1 正交實驗因素水平Table 1 Factor and level of orthogonal test

表2 正交實驗結果及分析(COD去除率)Table 2 Orthogonal test results and analysis(COD degradation rate)

由表2可知，影響PAP廢水COD去除率的因素主次順序為：溶液pH值(C)> 鐵炭質量比(B)> 雙氧水投加量(A)>反應時間(D)。優化條件為A2B2C3D3,即pH為3.5，鐵炭質量比為20∶1，雙氧水投加量30 mL/L，反應60 min時，COD去除率最優。經過實驗驗證，此時COD去除率達95.47%。

由表2可知，影響PAP廢水色度去除率的因素主次順序為：鐵炭質量比(B)>反應時間(D)>雙氧水投加量(A)>溶液pH值(C)。優化條件為A2B3C2D2,即pH為3，鐵炭質量比為25∶1，雙氧水投加量30 mL/L，反應55 min時，色度去除率最優。經過實驗驗證，此時色度去除率達97.53%。

3 結論

處理200 mL濃度為0.5 g/L對氨基苯酚廢水，微電解-Fenton優于單獨的微電解和Fenton反應，處理效果較好。單獨微電解工藝在pH為3，廢鐵屑投加量50 g/L，鐵炭質量比為20∶1，反應60 min，COD和色度去除率分別為40.25%和42.28%。微電解-Fenton聯用，在pH為3，鐵炭質量比為20∶1，雙氧水投加量30 mL/L，反應60 min，COD和色度去除率分別達到93.72%和95.7%。