【污水處理工藝】Fenton試劑處理環(huán)氧氯丙烷生產(chǎn)廢水
摘要：采用Fenton試劑法處理環(huán)氧氯丙烷生產(chǎn)廢水。分別采用單因素和正交試驗方法考察了反應溫度、pH 值、反應時間、FeSO 4 和H2O2投加量等因素對COD去除率的影響，以及各因素之間的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，反 應溫度為60℃、pH值為3．0、H2O2投加量為97．9 mmol/L，F(xiàn)eSO4投加量為1．0 mmol/L，反應時間為75 min為最佳反應條件，且各影響因素中H2O2用量對COD去除率影響最大，F(xiàn)eSO4用量的影響次之，反應時間的影響最小。 試驗證實Fenton試劑對廢水中的難降解有機物有較高的除去效率，可作為難降解有機物廢水生物處理的前處理方法進行推廣和使用。
關(guān)鍵詞：Fenton試劑；難降解有機物；環(huán)氧氯丙烷；正交試驗
環(huán)氧氯丙烷（簡稱ECH）是一種重要的化工原料，被廣泛應用于生產(chǎn)環(huán)氧樹脂、合成甘油、氯醇橡膠等精細化工產(chǎn)品［1］。然而伴隨著環(huán)氧氯丙烷的 生產(chǎn)，將產(chǎn)生大量廢水。在生產(chǎn)過程中每噸產(chǎn)品由皂化工序排出廢水約50～80 t，廢水水質(zhì)復雜，堿度大，含Ca（OH）2 懸浮物的質(zhì)量分數(shù)為1%～2%， COD的質(zhì)量濃度為1 500～2 000 mg/L，C1－的質(zhì) 量分數(shù)為1．5%～2．5%，還含有少量有機氯化物， 具有較強的生物毒性，因而生物降解性差，難以直接生物處理。由于環(huán)氧氯丙烷生產(chǎn)廢水的難生物降解特性，文獻報道的有關(guān)去除方法中大多為物化方法，如吸附、混凝和萃取等［2-3］，但效果較差。高級氧化技 術(shù)中的Fenton試劑是難降解有機廢水處理過程中研究較多的一種高級氧化技術(shù)［4］。通過反應產(chǎn)生的氧化能力極強的羥基自由基對有機污染物進行有效的分解，從而增加廢水的可生物降解性能，甚至徹底地轉(zhuǎn)化為CO 2 和H 2 O等。Fenton試劑與其他高級氧化工藝相比，操作簡單、反應快速、溫度和壓 力等反應條件緩和、無二次污染且可產(chǎn)生絮凝等優(yōu)點而倍受青睞。近30a來，其在工業(yè)廢水處理中 的應用越來越受到國內(nèi)外的廣泛重視［5－11］。本試驗采用環(huán)氧氯丙烷生產(chǎn)廢水為處理水樣。分別采用單因素和正交試驗方法考察了Fenton氧 化過程中反應溫度、pH值、反應時間、FeSO 4 以 及H 2 O2投加量等因素對COD去除率的影響以及各因素之間的關(guān)系。為環(huán)氧氯丙烷生產(chǎn)廢水的前處理 提供一定的技術(shù)和理論基礎(chǔ)。
1.材料與方法
1．1儀器與材料
MS－3型微波消解COD測定儀，pH315i型精 密酸度計（WTW），THZ－82恒溫振蕩器，WKYI型 微量可調(diào)移液器，F(xiàn)A1004N分析天平。H 2 O2（30%）、 FeSO4·7H2O、K2Cr2O7、硫酸等藥品均為分析純。 試驗用所有藥劑均用去離子水配制。
1．2試驗方法
1．2．1單因素試驗
溫度和pH值是影響反應的基本因素，采用單 因素試驗對其進行考察。考察溫度影響時，溫度分 別設為30、40、50、60、70、80℃，pH＝3．0；考 察pH值影響時，pH值分別設為1．5、2．0、2．5、 3．0、3．5、4．0、4．5，溫度為70℃。H2O2、FeSO4用 量分別為78．4、0.8 mmol/L。水樣于錐形瓶中在恒 溫水浴震蕩器中以100 r/min轉(zhuǎn)速震蕩60 min，冷 卻后，調(diào)節(jié)pH值為7～8，靜置60 min，用定性中 速濾紙過濾，取清液稀釋5倍測定COD。
1．2．2正交試驗
由于各反應因素之間的復雜關(guān)系，試驗設計了 以反應時間（A）、FeSO 4 用量（B）、H 2 O2用量（C）為 變量的3因素3水平的正交試驗。反應溫度和pH 值分別為70℃和3．0，正交試驗設計如表1所示。
1．2．3 COD檢測方法
試驗采用微波消解儀測定水樣COD值，并在 消解前向水樣中加入一定量HgSO4 粉末以消除氯 離子干擾。
1．3廢水水質(zhì)
試驗所用廢水取自某石化公司環(huán)氧氯丙烷生產(chǎn) 車間，水樣無色澄清，pH值為11．15，COD的質(zhì) 量濃度為1755 mg/L。
2.結(jié)果與討論
2．1溫度對COD去除影響
溫度是影響Fenton試劑反應的重要因素之一。 反應溫度升高一方面可增加·OH活性，另一方面 也可能使H 2 O2分解成H2O和O2。而對于實際廢 水，其作用可能更加復雜。試驗得出反應溫度對 COD去除率的影響如圖1所示。
由圖1可知，在所考察溫度范圍內(nèi)COD去除 率均隨溫度升高而增大。在30～60℃范圍內(nèi)， COD去除率隨溫度升高增大得較快，大于60℃ 后，COD去除率增加漸緩。關(guān)于Fenton試劑反應 的最佳溫度各種文獻說法不一，S.H.Lin等［12］用 Fenton試劑處理退漿廢水時發(fā)現(xiàn)，最佳的反應溫度 出現(xiàn)在30℃，低于該溫度，出水的COD迅速升 高，這可能是由FeSO 4 /H2O2的反應緩慢造成的。 溫度高于30℃時，由于H 2 O2分解帶來的不良影 響，COD去除率增加緩慢。Basu等［13］用Fenton試 劑處理三氯（苯）酚時發(fā)現(xiàn)，高于60℃時，不利于 反應的進行。陳傳好等［14］發(fā)現(xiàn)用Fenton試劑處理 洗膠廢水的最佳溫度為85℃。然而Ipek等［15］處 理染色廢水時在25～70℃范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)處理效率并 沒有明顯差異。以上研究者得出不同結(jié)果，可能是 由于廢水成分不同造成的。本試驗條件下，60℃ 為適宜處理溫度。
2．2 pH值對COD去除影響
由于Fe2＋在溶液中的存在形式受到溶液的pH 值影響，F(xiàn)enton試劑一般只在酸性條件下發(fā)生作 用，在中性和堿性環(huán)境中Fe2＋不能催化H 2 O2產(chǎn)生 ·OH。研究者普遍認為，當pH值在2～4范圍內(nèi) 時廢水處理效果較好。pH值對COD去除率的影響如圖2所示。
由圖2可以看出，當pH值為2．5～3．5時，廢 水處理效果較好。當pH值過高時，F(xiàn)e2＋發(fā)生水解 形成Fe（OH） 2 ，F(xiàn)e（OH）2易被氧化成Fe（OH）3，未 水解的Fe2＋與H 2 O2反應生成Fe3＋，而Fe3＋也易發(fā) 生水解生成Fe（OH） 3 ，F(xiàn)e（OH）2、Fe（OH）3均屬于 難溶物質(zhì)，不能在下一步的反應中起到催化作用， 減緩了·OH的形成，從而降低了Fenton試劑的氧 化效率。另外，形成的鐵羥配合物在pH值高于9.0 時能進一步形成［Fe（OH） 4 ］［16］。而當pH值過低時， 由于形成復雜化合物［Fe（H 2 O）6］2＋而使反應減慢， 這種化合物與過氧化氫反應比［Fe（OH）（H 2 O）5］2＋與 過氧化氫反應還要慢。此外過氧化氫在高H＋濃度 條件下溶劑化形成穩(wěn)定的水合氫離子［H 3 O2］＋。水 合氫離子使過氧化氫親電子，加強其穩(wěn)定性并可 能減少實際與Fe2＋的反應［17］。本試驗中，經(jīng)過對 pH值在1．5~4．5范圍內(nèi)變化COD去除效果的測 定，確定適合pH值范圍為2．5~3．5，最佳pH值 為3．0。
反應因素中反應時間、FeSO 4 用量、H 2 O2用量 之間存在著復雜的相互關(guān)聯(lián)性，因而設計正交試驗 更能體現(xiàn)各因素對Fenton試劑的影響以及各因素 之間的關(guān)系。正交試驗結(jié)果如表2所示。 由表2可以看出，對于反應時間、FeSO 4 用量、H 2 O2用量3個因素，均為k1＜k2＜k3即反應時間越長，F(xiàn)eSO4和H 2 O2用量越多，COD去除率越高。綜合起來FeSO 4 用量為1．0 mmol/L、H2O2用量 為117．5 mmol/L、反應時間為75 min可能是較好的工藝條件。因為此條件不在9次試驗當中，所以 補做了該條件下的試驗。試驗結(jié)果COD去除率為 60．07%，比第9號試驗的59．77%提高了0．3%，但H2O2用量同時也增加了近1/5，從經(jīng)濟等因素綜合考慮，取9號反應條件為最佳工藝條件。2．3正交試驗
3 結(jié)論
Fenton試劑處理環(huán)氧氯丙烷廢水，COD去除 率達60%左右。通過單因素和正交試驗得出 Fenton試劑最佳用量和最佳反應條件為：反應溫度 60℃，pH值3．0，H2O2用量97．9 mmol/L，F(xiàn)eSO4用量1．0 mmol/L，反應時間為75 min，且各影響因 素中H 2 O2用量對COD去除率影響最大，F(xiàn)eSO4用量的影響次之，反應時間的影響最小。
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