USUVFenton体系处理高浓度罗丹明B特性研究

中国环境科学2016,36(8)：2329~2336ChinaEnvironmentalScienceUS/UV-Fenton体系处理高浓度罗丹明B特性研究王炜亮1,2*,王玉番1,卢少勇3*,鞠甜甜4,张玲丽1,2,刘晓晖1,2(1.山东师范大学地理与环境学院,山东济南250014；2.山东师范大学环境与生态研究院,山东济南250014；3.中国环境科学研究院,国家环境保护洞庭湖科学观测研究站,北京100012；4.山东省建设项目环境评审服务中心,山东济南250012)摘要：以罗丹明B为目标污染物,探索US/UV-Fenton体系对高浓度染料的降解规律.首先对比了Fenton、US-Fenton、UV-Fenton以及US/UV-Fenton体系降解RB的效果,通过建立反应动力学方程,发现各体系反应均符合伪一级动力学,进而分析US/UV-Fenton体系之间的协同因子.考察了初始溶液pH值、H2O2的投加量、H2O2与Fe2+摩尔比、反应时间和超声功率5个因素对US/UV-Fenton体系降解污染物的影响.结果表明,在最佳条件下罗丹明B溶液脱色率为99.9%,CODCr和TOC去除率分别为91.2%和61.85%,废水可生化性(BOD5/COD值)由0.277提高至0.503.最后根据反应规律,分析了US/UV-Fenton体系的反应机制,深度探讨了体系之间的协同促进作用.关键词：超声；紫外光；Fenton；羟基自由基；降解；罗丹明B中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)08-2329-08CharacteristicstudiesontreatmentofhighconcentrationrhodamineBwithUS/UV-Fentonsystem.WANGWei-liang1,2*,WANGYu-fan1,LUShao-yong3*,JUTian-tian4,ZHANGLing-li1,2,LIUXiao-hui1,2(1.CollegeofGeographyandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China；2.InstituteofEnvironmentandEcology,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China；3.StateEnvironmentalProtectionScientificObservationandResearchStationforLakeDongtinghu(SEPSORSLD),ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China；4.ShandongProvincialConstructionProjectEnvironmentalAssessmentServiceCenterJinan250012,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(8)：2329~2336Abstract：ThedegradationofhighconcentrationRhodamineBbyUS/UV-Fentonsystemwasinvestigated.Firstly,thedegradationeffectsofFenton,US-Fenton,UV-FentonandUS/UV-FentononRBwerecompared,andthereactionkineticsequationwasfoundtobeconsistentwiththepseudofirstorderkinetics,thenthesynergyinUS/UV-Fentonsystemwasanalyzed.Secondly,theeffectsoffivefactors,e.g.initialsolutionpH,H2O2dosage,moleratioofH2O2andFe2+,reactiontimeandultrasonicpower,ontheRBdegradationabilityofUS/UV-Fentonsystemwereinvestigated.TheresultsshowedthattheRBdecolorizationratewas99.9%,theremovalrateofTOCandCODCrwas92.1%and61.85%respectively,andthebiodegradabilityofwastewaterwasimprovedfrom0.277to0.503undertheoptimumconditions.Accordingtothelawofthereaction,thereactionmechanismofUS/UV-Fentonsystemwasanalyzed,andthesynergyinthesystemwasdiscussed.Keywords：ultrasound；ultraviolet；Fenton；hydroxylradicals；degradation；rhodamineB染料废水成分复杂、色度深,大多数有机污染物有毒且难生物降解,仅采用传统生化法处理很难达到行业排放标准.近年来,在难降解废水的处理工艺中,一些高级氧化技术(AOPs)日益受到关注[1].其中,Fenton试剂氧化技术与其它高级氧化技术相比具有易于操作、无二次污染等优势,故具有很好的应用前景[2].但因Fenton试剂法自身存在一些不足如H2O2利用率不高、反应速率较低、对有机物矿化率低等[3],未广泛利用.为解决Fenton试剂法存在的问题,使之能广泛应用,研究者们通过与其他技术耦合[4-6]、制备高效催化剂[7-9]等方式来提高Fenton反应中·OH的生成率和利用率,以期实现高效降解有机污染物超声(US)、紫外光(UV)光解作为两种很有前景的有收稿日期：2016-01-10基金项目：国家自然科学基金(51408349);山东省自然科学基金项目(ZR2014EEQ004)*责任作者,副教授,[e-mail];[e-mail]2330中国环境科学36卷机污染物降解技术,因其处理率较低、投资较大等缺点无法广泛应用,将US、UV分别与Fenton试剂法联合处理各种废水得到发展[6,10],但UV-Fenton不适于高浓度有机废水;US/Fenton与传统Fenton相比,因超声空化作用,在气泡崩溃瞬间,其内部可形成局部高温(可达5000K)和局部高压(可达50MPa),具有强烈的超声氧化和自由基氧化的作用,超声波本身不仅具有降解有机物的作用,更能提高溶液的传质作用促进H2O2分解,增强OH的生成率和降解速率[11-13].考虑到US、UV能促进双氧水转化自由基从而提高H2O2的利用效率和超声强化传质过程从而提高H2O2的利用效率和反应速度,不少研究表明,利用US/UV-Fenton体系降解低浓度废水效果显著,该体系降解浓度为20mg/L硝基苯时,最佳条件下硝基苯完全降解,TOC去除率达73.0%[14],降解50mg/L亚甲基蓝,60min时降解率为94%[8].因此,本文首次探索US/UV–Fenton体系处理高浓度罗丹明B的可行性,并通过研究其反应动力学规律分析体系间的协同机制;利用单因素试验确定体系的最佳工艺参数,并研究罗丹明B溶液的降解程度及可生化性的改变;最后从反应机理上探讨US/UV-Fenton体系协同机制,旨在为该体系用于实际废水提供技术支持.1材料与方法1.1材料与仪器试剂:罗丹明B染料,30%H2O2,七水合硫酸亚铁,硫酸,氢氧化钠等,均为分析纯.紫外灯管超声波清洗仪蠕动泵排水管蓄水槽给水管图1实验装置示意Fig.1Schemeoftheexperimentalapparatus仪器:ZXC-D型紫外灯,20W;KQ-200KDE型高功率数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司),频率40kHz,功率可调;TU-1900双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司);E-201-C型pH酸度计;电子天平等.实验装置如图1所示,此装置包括:(1)可调功率超声波清洗仪(频率40kHz,最大功率200W);(2)容量为250mL玻璃反应器,与之搭配发生反应的还有紫外灯(功率20W);(3)蠕动泵,通过循环水将反应温度控制在室温范围内.1.2实验方法溶液配制:选取罗丹明B(RB)作为目标污染物,采用高精密分析天平称取2.00gRB染料,溶解后移入1000mL容量瓶,并用去离子水稀释至标线,摇匀.此时溶液浓度为2g/L,作为母液待用;实验前,量取适量母液稀释浓度至500mg/L.实验步骤:取200mL浓度为500mg/L的RB溶液置于250mL玻璃反应器中,首先调节溶液pH值,再将玻璃反应器置入实验装置,先加入一定量的硫酸亚铁溶液,随后加入H2O2,最后同时打开超声波清洗仪、紫外灯,开始反应;反应中通过蠕动泵循环水控制反应温度(25±2)℃.待反应完成后,用NaOH将水样pH值调至10左右,终止反应,静置一段时间后取上清液测定;以模拟染料废水的脱色率、CODcr去除率为评价指标,采用单因素试验考察溶液初始pH值、H2O2与Fe2+投加量、反应时间和超声波功率5个因素对废水处理效果的影响,探求最佳反应条件.1.3分析方法用TU-1900双光束紫外可见分光光度计扫描RB溶液的紫外-可见光谱,确定其最大吸收波长为554nm,通过测定反应前后的吸光度计算罗丹明B染料的浓度.实验按国家标准(GB11914-1989)[15],用重铬酸钾法测定CODCr;按国家标准(HJ505-2009)[16]稀释与接种法测定水质五日生化需氧量(BOD5).利用0.45µm滤膜过滤水样,再用岛津TOC-4100型总有机碳分析仪测定反应前后废水的TOC,计算废水的矿化率.8期王炜亮等：US/UV-Fenton体系处理高浓度罗丹明B特性研究23312结果与讨论2.1不同体系处理RB对比研究2.1.1不同体系处理RB效果比对为了研究US/UV-Fenton体系降解染料废水的可行性,实验利用Fenton、US-Fenton、UV-Fenton、US/UV-Fenton体系分别处理RB溶液,不同体系对染料溶液脱色规律见图2.020406080100120020406080100脱色率(%)时间(min)FentonUS-FentonUV-FentonUS/UV-Fenton[RB]=500mg/L;US为40kHz,120W;UV为20W;反应温度为25℃(298K);pH=3.55;[H2O2]=60mmol/L;[Fe2+]=5mmol/L图2Fenton、US-Fenton、UV-Fenton以及US/UV-Fenton体系处理染料脱色规律Fig.2DecolorizationregularityofdyetreatedbyFenton,US-Fenton,UV-FentonandUS/UV-Fentonsystem由图2可见,单独Fenton试剂法对染料的去除效果较差,80min去除率仅78.5%,此后即随反应继续进行,染料废水色度去除率几乎保持不变;可能原因:一是因为作为催化剂的Fe2+被氧化成Fe3+,生成氢氧化铁或铁的络合物沉淀影响色度;二是随时间的推移Fenton试剂耗尽,氧化反应终止[17].US-Fenton体系降解染料废水氧化反应速率较Fenton体系明显提高,80min时色度去除率达89%,而后反应继续进行,去除率缓慢上升.UV-Fenton体系降解染料废水的速率略小于US-Fenton体系,但与单独Fenton氧化相比去除效果及效率明显提高.对于US/UV-Fenton氧化体系而言,在40min左右色度去除率可达88%,溶液色度去除速率较快;60min时去除率为95%,