芬頓試劑氧化處理苯和甲苯污染地下水的試驗研究

杜威，蘇燕，袁浩巍，桑志偉，陳文倩

摘要：地下水受到苯與甲苯等苯系物污染，會對人體健康造成巨大傷害。本試驗利用芬頓試劑氧化處理苯和甲苯污染地下水，首先分析氧化還原電位（ORP）和pH隨反應時間的變化，然后分別改變H2O2與苯系物、Fe2+的摩爾比，研究其對修復效果的影響。試驗結果表明，H2O2與苯系物的摩爾比為10∶1，H2O2與Fe2+的摩爾比為2∶1時，苯和甲苯污染地下水修復效果最佳。芬頓試劑對苯和甲苯污染地下水有較好的修復效果，未來可以應用在實際污染場地地下水修復中。

關鍵詞：污染地下水；芬頓試劑；氧化處理；苯；甲苯

中圖分類號：X523 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）11-000-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.11.003

Experimental study on Fenton reagent oxidation treatment of benzene and toluene contaminated groundwater

DU Wei1， SU Yan2， YUAN Haowei3， SANG Zhiwei4， CHEN Wenqian1

（1. Suzhou Qianxing Environmental Engineering Co.， Ltd.， Taicang 215431， China;

2. Shenyang Academy of Environmental Sciences， Shenyang 110016， China;

3. Institute of Disaster Prevention， Langfang 065201， China;

4. Suzhou Bird Environmental Development Co.， Ltd.， Taicang 215431， China）

Abstract： Groundwater is polluted by benzene derivatives such as benzene and toluene， which can cause significant harm to human health. This experiment uses Fenton reagent to oxidize groundwater contaminated with benzene and toluene， firstly analyzes the changes in oxidation-reduction potential （ORP） and pH with reaction time， and then changes the molar ratios of H2O2 to benzene derivatives and Fe2+ respectively to study their impact on the remediation effect. The experimental results show that when the molar ratio of H2O2 to benzene derivatives is 10∶1， and the molar ratio of H2O2 to Fe2+ is 2∶1， the remediation effect of benzene and toluene contaminated groundwater is the best. Fenton reagent has a good remediation effect on groundwater contaminated with benzene and toluene， and can be applied in actual remediation of groundwater in contaminated sites in the future.

Keywords： contaminated groundwater; Fenton reagent; oxidation treatment; benzene; toluene

地下水污染中有機污染占比較大，有機污染中的苯系物污染十分常見。調查發現，華北平原地下水中甲苯超標6.94%，四氯乙烯超標6.53%，苯超標5.31%[1]。苯系物會對人體健康造成巨大的傷害，此類污染物已經引起大量國內外專家學者的關注。芬頓氧化法是一種高級氧化工藝，芬頓試劑廣泛應用于地下水和土壤修復中[2]。芬頓試劑具有強氧化性，其成分中的Fe2+催化H2O2形成羥基自由基（·OH），羥基自由基具有極強的氧化性，可以氧化地下水中的絕大多數有機物[3]。1894年，Fenton[4]首先發現芬頓試劑，并將其應用于氧化蘋果酸。1964年，Eisenhauer[5]首次將芬頓試劑應用于苯酚和烷基苯廢水的處理中，并研究其修復效果。楊玲等[6]研究芬頓氧化法和類芬頓氧化法處理地下水中苯系物的可行性，并分析其修復機理。

1 試驗流程

1.1 試驗材料和儀器

抽取污染場地中地下水，測定其苯系物濃度。供試地下水中，苯的初始濃度為40.61 mg/L，甲苯的初始濃度為38.34 mg/L。主要試劑有3種。一是28種揮發性有機物（VOC）混標樣品，產品編號為CDAA-M-629004-AD-1 mL，廠商為上海安譜實驗科技股份有限公司，規格為1 000 mg/L。二是濃度3%的H2O2，購自山東利爾康醫療科技股份有限公司。三是FeSO4·7H2O（分析純），購自天津市永大化學試劑有限公司。試驗儀器有吹掃捕集器、氣質聯用儀和離子源（電子轟擊源）。

1.2 試驗方法

苯和甲苯的測定采用《水質 揮發性有機物的測定 吹掃捕集/氣相色譜-質譜法》（HJ 639—2012）。

首先，芬頓試劑氧化苯系物的過程中，氧化還原電位（ORP）和pH也會發生巨大變化。為了明確變化規律，取1個容量1 L的燒杯，加入500 mL污染場地中供試地下水，將H2O2與苯系物的摩爾比控制在5∶1，將H2O2與Fe2+的摩爾比控制在2∶1，加入濃度3%的H2O2和FeSO4·7H2O，在反應時間分別為1 min、2 min、3 min、4 min、5 min和6 min的條件下測定混合溶液ORP和pH。其次，芬頓試劑中雙氧水和二價鐵的配比會直接影響修復效果。取5個容量1 L的燒杯，分別加入500 mL污染場地中供試地下水，將H2O2與苯系物的摩爾比控制在5∶1，將H2O2與Fe2+的摩爾比分別控制在2∶1、4∶1、6∶1、8∶1和10∶1，向燒杯中加入濃度3%的H2O2和FeSO4·7H2O，攪拌12 h后取樣監測，測定其苯系物去除率變化。最后，芬頓試劑中雙氧水的添加量會直接影響修復效果。取5個容量1 L的燒杯，分別加入500 mL污染場地中供試地下水，H2O2與Fe2+的摩爾比控制在2∶1，H2O2與苯系物的摩爾比分別控制在5∶1、10∶1、15∶1、20∶1和25∶1，向燒杯中加入濃度3%的H2O2和FeSO4·7H2O，攪拌12 h后取樣監測，測定其苯系物濃度變化。

2 試驗結果分析

2.1 pH及ORP隨反應時間的變化

試驗過程中，燒杯內混合溶液呈黃色，底部存在少量沉淀物質，Fe2+濃度越高，混合溶液顏色越深。H2O2與苯系物的摩爾比為5∶1，H2O2與Fe2+的摩爾比為2∶1時，ORP和pH隨反應時間的變化分別如圖1和圖2所示。H2O2與苯系物的摩爾比為5∶1，H2O2與Fe2+的摩爾比為2∶1時，加入芬頓試劑之前，地下水ORP為-134 mV，pH為6.85，隨著反應的進行，混合溶液的ORP增加至457 mV，整個體系處于一種強氧化狀態，同時，pH快速下降至3.84，酸性條件可以在很大程度上抑制體系中Fe2+和Fe3+的沉淀。

2.2 苯系物去除率隨H2O2/Fe2+（摩爾比）的變化

H2O2和苯系物的摩爾比（5∶1）保持不變，改變H2O2和Fe2+的摩爾比。反應12 h后，各苯系物去除率隨H2O2/Fe2+的變化如圖3所示。當H2O2與Fe2+的摩爾比變大時，苯系物去除率快速下降。經分析，隨著芬頓試劑中Fe2+濃度的變小，催化作用逐漸下降，這將影響苯和甲苯的去除效果。當H2O2與Fe2+的摩爾比分別為8∶1、10∶1時，Fe2+濃度太低，無法提供足夠的催化劑，修復效果變差。

2.3 苯系物濃度隨H2O2/苯系物（摩爾比）的變化

H2O2和Fe2+的摩爾比（2∶1）保持不變，改變H2O2和苯系物的摩爾比。反應12 h后，各苯系物濃度隨H2O2/苯系物的變化如表1所示。H2O2與Fe2+的摩爾比固定時，H2O2與苯系物的摩爾比越大，修復效果越好。H2O2與苯系物的摩爾比為10∶1時，反應后，苯和甲苯濃度已遠遠低于修復目標值，但H2O2與苯系物的摩爾比分別為15∶1、20∶1和25∶1時，氧化劑H2O2濃度較大且過量，反應過程中會產生過量的羥基自由基，所以去除效果更好，去除率均已達到100%。

3 結論

本試驗采用芬頓氧化法，通過投加芬頓試劑氧化處理苯和甲苯污染地下水。芬頓試劑加入苯和甲苯污染地下水時，ORP快速增加，整個體系均為強氧化狀態，pH逐漸下降，最終穩定在3.84左右。經過多項對比試驗，H2O2與苯系物的摩爾比為10∶1，H2O2與Fe2+的摩爾比為2∶1時，試驗條件既可以滿足修復效果要求，又可以節約修復成本。

參考文獻

1 石建省，王 昭，張兆吉，等.華北平原地下水有機污染特征初步分析[J].生態環境學報，2011（11）：1695-1699.

2 Yap C L，Gan S，Ng H K.Fenton based remediation of polycyclic aromatic hydrocarbons-contaminated soils[J].Chemosphere，2011（11）：1414-1430.

3 楊 玲，趙勇勝，孫 威，等.Fenton試劑快速氧化處理地下水中BTEX可行性研究[J].水文地質工程地質，2010（6）：107-111.

4 Fenton H J H.Oxidation of tartaric acid in presence of iron[J].Journal of the Chemical Society，1894（65）：899-910.

5 Eisenhauer H R.Oxidation of phenolic wastes[J].Wiley，1964（9）：1116-1128.

6 楊 玲，趙勇勝，馬百文，等.Fenton和類Fenton氧化處理地下水中BTEX及其動力學[J].環境工程學報，2011（5）：992-996.