Fenton 試劑氧化處理甲基橙模擬廢水的條件研究
周美珍，郭 涓，李 萍
（寧德師范學院化學與環(huán)境科學系，福建 寧德 352100）
周美珍：Fenton 試劑氧化處理甲基橙模擬廢水的條件研究
摘 要：Fenton 試劑是 H2O2和 Fe2+混合得到的一種強氧化劑，近十幾年來在廢水處理中的應用得到廣泛的關注。現采用 Fenton 試劑降解含甲基橙染料的模擬廢水，探討 H2O2和 Fe2+的用量、溶液 pH 值和甲基橙初始濃度、反應時間等對甲基橙去除率的影響。研究表明：當溶液 pH 為 3，H2O2和 1 %FeSO4 7H2O 的用量分別為 1 mL 和 3 mL，甲基橙的濃度為 20 mg/L 時，反應 2 分鐘后，甲基橙的去除率可達 90 %以上，證明了Fenton 試劑可以有效地處理甲基橙模擬廢水。
關鍵詞：Fenton 試劑；甲基橙；染料廢水
前言
Fenton 試劑是亞鐵離子和過氧化氫的組合，是一種強氧 化 劑 。 1881 年 由 Fenton 首 次 提 出 的 ， 1964 年H.R.Eisenhauer首次使用Fenton試劑處理苯酚廢水和烷基廢水[1]。染料行業(yè)生產的污染物是全球性的主要環(huán)境污染源之一。據不完全統計，我國印染行業(yè)每年排放廢水量高達 7億~8 億多噸，是我國排放廢水和污染物數量較大的行業(yè)之一。由于染料和印染工業(yè)的廢水具有有機物濃度高、成分復雜、色度深、難降解等特點，傳統的處理方法如生化處理、混凝脫色[2]、吸附脫色[3]、膜技術等工藝對染料污染物的礦化能力較差，而且易引起二次污染。徐向榮[4]等研究了Fenton 試劑與染料廢液的反應，并證明了 Fenton/UV 兩者具有協同效應。陸文明[5]則研究了模擬活性染料廢水和實際活性染料廢水的處理，脫色和 COD 的去除率均很好。Fenton試劑能有效分解有機物，甚至徹底將有機污染物氧化分解成二氧化碳、水和礦物鹽等無害無機物，不會產生新的污染[6]。
Fenton 試劑用于廢水的處理，其主要原理是利用亞鐵離子作為過氧化氫的催化劑，反應過程中產生大量的羥基自由基，從而降解廢水中的有機污染物，使 Fenton 試劑成為一種有效的廢水處理方法。其氧化機理如下[7-8]：
在含有 Fe2+離子的酸性溶液中投加 H2O2時會發(fā)生下列反應：
起激發(fā)及傳遞作用，使鏈接反應能持續(xù)進行，直至 H2O2消耗盡[9]。
本文選擇使用較為普遍的甲基橙為研究對象，利用Fenton 試劑對染料模擬廢水進行氧化處理，探討了 H2O2、FeSO4·7H2O 的用量、溶液 pH 值、甲基橙初始濃度、反應時間等因素對甲基橙去除率的影響。
1 實驗部分
1.1 主要儀器和試劑
儀器：PHS-3C 型精密 PH 計；85-2A 磁力攪拌器；UVS-7220N可見分光光度計。
試劑：NaOH (AR)；30 %H2O2；FeSO4 7H2O (AR)；H2SO4；甲基橙(MO)。
1.2 試驗方法
取一定濃度的甲基橙溶液于燒杯中，分別加入氧化劑進行處理，一定時間后取樣，測定溶液的吸光度值，計算甲基橙的去除率，得出最佳的實驗條件。
1.3 分析方法
甲基橙溶液濃度采用 UVS-7220N 可見分光光度計進行分析測定。通過可見光區(qū)域對甲基橙進行全程掃描，發(fā)現506 nm 處有最大吸收。在此吸收波長下測定樣品氧化降解前后的吸光度 A0、A，并用（A-A0）/A×100%求得甲基橙的去除率。
2 結果與討論
2.1 甲基橙溶液最佳吸收波長的確定
配制濃度 20 mg/L 、pH=3 的甲基橙溶液，采用UVS-7220N 可見分光光度計對溶液全程掃描，測定不同波長下的吸光度，以確定最大吸收波長，實驗結果見圖 1。由圖1 可知，在波長為 506 nm 處 pH=3 的甲基橙有最大的吸光度 值，以下實驗均在波長為 506 nm 處測定甲基橙的吸光度值。
2.2 甲基橙濃度與吸光度值的關系
配制一系列不同濃度的甲基橙，分別在最大吸收波長506 nm 下測定樣品吸光度值 A。結果見圖 2。由圖 2 可知，R2=0.9981，甲基橙濃度與吸光度具有較好的線形相關性。
2.3 反應時間對甲基橙去除率的影響
固定甲基橙的濃度為 20 mg/L、pH=3，考察時間對甲基橙去除率的影響，取 250 mL 甲基橙溶液于燒杯中，分別加入 1 mLH2O2、2.5 mL 1 % FeSO4 7H2O，取不同反應時間 t，測甲基橙的吸光度值，確定最佳時間，結果見圖 3。由圖 3可得 t=2 min 時甲基橙的去除率最高。反應 2 分鐘后，甲基橙的去除率幾乎不再增加，表明反應已經結束。所以以下實驗均在 t=2 min 時測定甲基橙的去除率。
2.4 H2O2溶液的用量對甲基橙去除率的影響
固定甲基橙溶液的濃度為 20 mg/L、pH=3，考察 H2O2的用量對甲基橙去除率的影響。取 250 mL 甲基橙溶液于燒杯中，加入 2.5 mL 1 % FeSO4 7H2O 溶液，分別加入不同量的H2O2，2 min 后取樣，測定甲基橙的吸光度值，確定 H2O2的最佳用量，結果見圖 4。由圖 4 可知，隨著 H2O2濃度的增加，甲基橙的去除率也隨之增大，當 H2O2的用量為 1 mL 時，甲基橙的去除率已經達到 90 %以上，再增加 H2O2的用量，甲基橙的去除率開始出現下降。隨 H2O2用量的增加，·OH 的產生也隨之增加；但 H2O2的用量過多時，不僅不會通過分解產生更多的自由基，反而在反應一開始就把 Fe2+迅速氧化為Fe3+，致使氧化在 Fe3+的催化下進行，降低了羥基自由基的產生效率，導致甲基橙去除率下降[10]。所以可根據預期達到的去除效果及經濟能力來選擇合適的投加量，本實驗選擇H2O2的最佳用量為 1 mL。
2.5 FeSO4 7H2O 溶液的用量對甲基橙去除率的影響
實驗條件同上，取 H2O2的最佳用量為 1 mL，改變 1 %FeSO4 7H2O 的用量，2 min 后取樣，測定甲基橙的吸光度值，確定 1 % FeSO4 7H2O 的最佳用量，結果見圖 5。由圖 5 可知，1%FeSO4 7H2O 用量為 3 mL 時，甲基橙的去除率最大，當 1 %FeSO4 7H2O 用量再增加時，甲基橙去除率幾乎沒有再增加。這主要是由于 Fe2+的濃度高了以后催化產生的·OH 也增加，所以·OH 之間的碰撞幾率增大從而發(fā)生反應，從而使·OH 的量減少，導致甲基橙去除率下降[7]，所以 1% FeSO4 7H2O 的最佳用量為 3 mL。
2.6 溶液的 pH 值對甲基橙去除率的影響
實驗條件同上，固定 H2O2的用量為 1 mL, 1 % FeSO4 7H2O的用量為 3 mL，調節(jié)溶液的 pH 值，2 min 后取樣，測定甲基橙的吸光度值，結果見圖 6。由圖 6 可知，pH 值在 3 左右，甲基橙的去除率最高，pH 小于 3 或大于 3 去除率都逐漸減小，按照經典的 Fenton 試劑反應理論，pH 值升高不僅抑制·OH 的產生，而且使溶液中的 Fe2+以氫氧化物形式沉淀而失去催化能力；當 pH 低于 3 時，溶液中 H+濃度過高而使 Fe3+被還原成 Fe2+受阻，從而使催化反應受阻，以致影響 Fenton試劑的氧化能力[11]，所以 Fenton 試劑處理甲基橙溶液的最佳 pH 值為 3。
3 結論
（1）染料廢水含有大量的難降解有機物，一般的化學和生物法對它很難一次降解，甲基橙是難降解的偶氮染料之一，本實驗采用 Fenton 法對甲基橙進行處理，取得了顯著的效果。
（2）處理 20 mg/L 的甲基橙模擬廢水的最佳條件為：1 mL3 % H2O2、3 mL 1 %1 %FeSO4 7H2O、pH 值為 3。
參考文獻
[1] 劉春英, 弓曉峰, 曾珍英. Fenton 試劑在染料廢水處理的應用[J]. 環(huán)境保護科學, 2004, 122(30): 9-10.
[2] 隋智慧, 張景彬, 宋旭梅. PSF 混凝劑對印染廢水的處理[J]. 印染, 2006(9): 4-6.
[3] 趙宜江, 張 艷, 嵇 鳴, 等. 印染廢水吸附脫色技術的研究進展[J]. 水處理技術, 2000, 26(6): 315-319.
[4] 徐向榮, 王文華, 李華斌. Fenton 試劑與染料溶液的反應[J]. 環(huán)境科學, 1999, 20(3): 72-74.
[5] 陸文明. H2O2/Fe2+光催化氧化法去除活性染料廢水色度的研究[J]. 浙江樹人大學學報, 2001, 1(4): 65-67.
[6] 暴雅嫻, 華兆哲, 李秀芬, 等. Fenton 氧化處理甲基橙染料模擬廢水的動力學研究[J]. 水資源保護, 2007,23(2): 84-86.
[7] 鄧洪君. Fenton 試劑與其他技術聯合在有機廢水處理中的應用[J]. 內蒙古電大學刊, 2007(2): 51-53.
[8] 李明玉. 脫氨-催化氧化-吸附聯合工藝處理苯胺類廢水的研究[J]. 給水排水, 2003, 29(1): 52-54.
[9] 相欣奕, 鄭懷禮. Fenton 反應處理染料廢水研究進展[J]. 重慶建筑大學學報, 2004, 26(4): 126-129.
[10] 趙 超, 姜利榮, 黃應平. Fenton 及 Photo-Fenton 非均相體系脫色有機污染物的研究進展[J]. 分析科學學報, 2007(3): 355-360.
[11] 劉春英, 弓曉峰, 曾珍英. Fenton 試劑在染料廢水處理的應用[J]. 環(huán)境保護科學, 2004, 122(30): 10-11.
來源：中國化學試劑網
