论文作者:龙明策 林金清 吴宝林 王双树
摘要: 研究 了阳离子染料结晶紫在UV/Fe3 /H2O2体系下的均相降解,考察了pH值、H2O2和Fe3 用量等条件对脱色率与COD去除率的影响 。结果表明紫外光能大大提高染料的脱色速度和矿化程度,当pH=2.70,H2O2=10mM,Fe3 =0.5mM时80min脱色率大于99%,COD去除率大于70%,且分次投加H2O2能提高矿化程度。对反应20min后水样的紫外-可见吸收光谱和BOD5/COD值的分析 表明水样可生化性大大提高。
关键词: Photo-Fenton 过氧化氢 染料废水 结晶紫
近年来利用羟基自由基处理难降解有机废水 的高级氧化技术(Advanced Oxidation Technologies, AOT)受到普遍关注[1] 。光Fenton氧化法能有效地产生·OH,而且操作简单、成本低廉,故研究与应用 颇多[2-3] 。但该体系中催化分解H2 O2 需要大量的Fe2 ,反应后由于升高pH值会产生大量铁泥沉淀,造成二次污染[4] ,而且局部高浓度的Fe2 消耗H2 O2 ,又会降低有机物的矿化程度[5] 。UV/Fe3 /H2 O2 构成的类Fenton体系,由于可以利用较低浓度的Fe3 催化H2 O2 分解而更受欢迎[4] ,而且自然 环境中存在Fe3 /H2 O2 体系,对其研究也具有一定科学 意义[6] 。
染料废水是公认的较难处理的工业 废水之一[7] 。特别是含阳离子型难生化降解的染料废水,本身对微生物产生毒害作用,而采用混凝处理效果也不理想,故多采用Fenton氧化等高级氧化技术处理或预处理 。本文研究了含阳离子染料结晶紫的废水在UV/Fe3 /H2 O2 体系下的降解规律 ,为实际染料废水的处理提供依据。
1 实验部分
1.1 主要试剂与仪器
硫酸铁、H2 O2 (30%)、结晶紫(CV)等均为AR级;20W紫外灯(上海仁和照明),400W金属卤灯(广东欧陆照明),756P紫外可见分光光度计(上海光谱),COD 消解器 DR-890比色计(美国HACH),868型pH计(美国ORION)。
1.2 实验方法
将一定体积一定浓度的结晶紫模拟水样置于浅池反应容器中,加入Fe2 (SO4 )3 ,用H2 SO4 或NaOH调节pH值,加入H2 O2 ,迅速混匀,在光源照射或暗处恒温搅拌反应。经一定时间取样,加入中止剂,测定剩余的结晶紫浓度和COD 。
1.3 分析方法
铁的测定:邻二氮菲吸光光度法;H2 O2 的测定:钛溶液吸光光度法;结晶紫:583nm测定吸光度;COD :密封法,按文献 [8]排除H2 O2 的干扰。
脱色率=(C0 -C)/C0 ;其中C0 —反应前结晶紫浓度;C—反应一定时间的结晶紫浓度。理论 H2 O2 用量的计算 方法见文献[3]。
2 试验结果及讨论
2.1 结晶紫在不同条件下的降解
a:紫外光;b:Fe3 =0.5mM, 紫外光;c:H2 O2 =10mM, 紫外光;d:Fe3 =0.5mM, H2 O2 =10mM, 暗反应;e:Fe3 =0.5mM, H2 O2 =10mM, 紫外光;f:Fe3 =0.5mM, H2 O2 =10mM, 模拟可见光;
其它条件:pH=2.72, 初始结晶紫浓度CV0=105.9mg/L, COD 0=158.3mg/L, T=15℃
图1 不同条件下结晶紫的降解
图1是结晶紫在不同条件下的降解规律,表1是对应图1中a-e条件下结晶紫降解80min后剩余的COD 。由图可知结晶紫在紫外光下比较稳定(曲线a),而Fe3 的存在能部分破坏染料分子的共轭结构而脱色,80min脱色率大于40%(曲线b),这是因为Fe(Ⅲ)的羟基络合物光解产生高活性的·OH(反应式1),同时还存在染料本身的敏化作用[9](反应式2-4),但是反应的总量子产率不高,而且缺少Fe(Ⅲ)再生的机制,因此脱色效率不高,也不能彻底降解染料(COD 几乎不变)。UV/H2 O2 体系能使结晶紫较快地脱色(曲线c),这是因为H2 O2 的光解会产生·OH(反应式5),但是由于·OH容易复合失活,导致降解速度和矿化效率不高,80min后剩余的COD 变大,这是因为生成的大量小分子中间产物不能进一步完全矿化,致使水样COD 增高,文献[10]观察到类似现象。
表1 图1各条件下降解80min的剩余COD
实验条件
a
b
c
d
e
f
80min的COD (mg/L)
154
162
218
148
61
77
Fe3 /H2 O2 暗反应降解结晶紫速度很慢(曲线d),而且矿化效果很差,反应80min后COD 基本不变,这是因为暗Fenton反应需要通过反应6引发,生成的Fe2 与H2 O2 进一步经反应7产生·OH,而反应6的动力学常数k较小(2×10-3),一般认为是Fenton反应的控制步骤[11]。引入紫外光,能大大加速结晶紫的脱色速度(曲线e),同时提高矿化程度,40min结晶紫几乎完全脱色,80min的COD 降至52mg/L,这是由于除了反应6、7外,反应1也能引发Fenton反应,存在催化H2 O2 分解的协同效应。采用金属卤灯模拟可见光,能够以更快的速度降解结晶紫(曲线f),并且矿化程度也较高,这是光源的光强较高能提供更大的能量的缘故,这也表明利用太阳光助Fenton降解有机污染物是可行的。
2.2 初始pH值的影响
在不同pH值下采用UV/Fe3 /H2 O2 体系降解结晶紫,结果如图2所示。在pH=2.70时脱色速度最快,这与暗Fenton或光Fenton规律是一致的,表明该反应机理与降解的有机物或光源的种类无关。Pignatello的研究表明Fe(Ⅲ)存在形态随pH值变化而不同,而光解效率直接与Fe(Ⅲ)的形态有关。当pH>5时,Fe(Ⅲ)容易形成Fe(OH)3 沉淀;当pH值在2.8左右时,Fe(OH)2 形态达到最值[6] ,占铁总量的一半左右,而Fe(OH)2 是引发光Fenton反应的关键(反应式1),故在此pH值左右Fenton反应速度最大。Fe3 =0.5mM,H2 O2 =10mM,CV0=104.0mg/L
图2 不同pH值对结晶紫脱色的影响
2.3 H2 O2 投加量的影响
由图3可见,结晶紫的脱色速度很快,当H2 O2 大于5mM时20min脱色率均达到98%以上,再增大投加量对提高脱色率没有实际意义,但能进一步提高COD 的去除效率(表2),这表明染料废水的矿化滞后于脱色,而且H2 O2 用量越多矿化程度越高。对于相同H2 O2 用量(10mM),分别采用一次投加和第0、15、30min分三次投加,能将COD 去除率从60.1%提高到70.6%,这说明在实际废水处理中H2 O2 宜采用连续流或分批的投加方式。
H2 O2 用量(a)2.5mM, (b)5mM, (c)10mM, (d)20mM, (e)10mM分三次投加,
其他条件:Fe3 =0.5mM, CV0 =104.0mg/L,COD 0 =153mg/L, pH=2.72,T=15℃
图3 H2 O2 投加量的影响
表2 不同H2 O2 用量下80min的COD 去除率
H2 O2 投加量(mM)
2.5
5
10
20
10
80minCOD 去除率(%)
24.2
54.2
60.1
86.2
70.6
2.4 Fe3 投加量的影响
图4是不同铁离子用量下的脱色规律。Fe3 用量越多,由于引发反应的速度越快,故脱色速度越快,铁用量大于0.3mM时80min脱色率均大于98%。从最终矿化程度来看(表3),0.5mM用量最佳,因为过多的Fe3 生成Fe2 ,高浓度的Fe2 存在清除·OH作用(反应8),从而降低了矿化效率。而0.3mM用量时COD 去除率也较高,达到66%,由此可见Fe3 用于Fenton反应在较少铁离子用量的条件下仍有很好的结果。
(8)
H2 O2 =10mM,CV0 =104.0mg/L,COD 0 =153mg/L, pH=2.70, T=20℃
图4 铁离子投加量的影响
表3 不同Fe3 用量下80min的COD 去除率
Fe3 投加量(mM)
0.3
0.5
1
2
80minCOD 去除率(%)
66.0
70.6
61.4
54.2
2.5 结晶紫废水氧化前后的特性分析
采用紫外-可见吸收光谱分析Fenton氧化前后的分子变化情况,结果如图5所示。反应20min水样的吸收光谱表明,563nm的吸收峰消失,而且300 nm以下的吸收峰也消失,说明分子的大π共轭体系已被破坏,苯环结构也被打开,紫外区有部分吸收,主要来自于小分子的化合物,染料分子尚未完全矿化。比较反应前后的可生化性,结果表明反应20 min后水样BOD5 /COD 从0.034提高到0.32,剩余的COD 可以进一步采用好氧生化技术处理。因此对于高浓度的有机染料废水,可以采用Fenton氧化-生化降解的组合工艺,以降低运行成本。
1:处理前;2:氧化20min后
图5 结晶紫废水氧化前后的紫外-可见光谱
表4 氧化前后水样的可生化性
水样
BOD5
COD
BOD5 /COD
0min
5.3
153
0.034
20min
30.3
95
0.32
3 结论
UV/Fe3 /H2 O2 体系能有效地降解阳离子染料结晶紫废水,其中紫外光的引入能大大提高结晶紫的脱色速度和矿化程度;对反应20min后的紫外-可见吸收光谱分析表明分子共轭体系和苯环被破坏,剩余COD 为小分子化合物,废水的可生化性大大提高,适合进一步的生化处理。
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