電Fenton法處理苯酚模擬廢水的工況研究

1、電Fenton法處理苯酚模擬廢水的工況研究刁智俊1，2 李燕1 張雁秋11.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，徐州（221008） 2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，徐州（221008）E-mail：zjdiao摘要：用電Fenton法處理苯酚模擬廢水。以石墨板為陰極，鐵板為陽極，用空氣壓縮機向陰極曝氣。通過正交試驗和單因素實驗，研究PH值、電壓、苯酚濃度和極板間距對苯酚去除率的影響。最佳工況為電壓20V，苯酚濃度為200mg/L，電解質Na2SO4濃度為0.05mol/L，極板間距為3.5cm，PH值2.5。關鍵詞：電Fenton，苯酚，去除率苯酚是原生質毒物，屬于高毒物質，對人體和環(huán)境都有極

2、大的危害，而苯酚普遍存在于各種工業(yè)廢水中。苯酚廢水的處理一直受重視。傳統的生物法所對于較高濃度的苯酚廢水，其生物降解性差，采用常規(guī)方法處理，很難達到污水綜合排放標準。而光催化氧化、濕式氧化等高級氧化技術具有徹底氧化等優(yōu)點，近年來這些技術在含酚廢水處理中的研究日益引起人們的重視。而其中電Fenton法作為一種電化學處理方法，尤其受到重視。(1)電Fenton氧化有機物的典型機理為：在酸性溶液中，當在電極上通直流電時，首先氧在陰極通過兩個電子還原反應產生H2O2，生成的H2O2迅速與溶液中存在的Fe2+反應產生HO使有機物進行無選擇性的氧化降解反應。（2）1.實驗部分1.1試劑與儀器WYJ-60V

3、5A直流穩(wěn)壓電源（ 德力西集團電氣有限公司）； ACD-002電磁式空氣壓縮機（浙江森森實業(yè)有限公司）；VIS-7220可見分光光度計（北京瑞利分析儀器公司）。苯酚；鐵氰化鉀；4-氨基安替比林；溴化鉀；溴酸鉀（；碘酸鉀；硫代硫酸鈉；碘化鉀；無水硫酸鈉；硫酸；氯化銨；氨水，（以上試劑均為分析純）。1.2實驗裝置自制裝置。電解槽（151320，有機玻璃）；鐵板（1812）；石墨板（1510）。裝置見下圖圖1 實驗裝置示意圖1.3實驗分析方法苯酚檢測采用4氨基安替比林分光光度法。1.4實驗原理以鐵板為陰極，石墨板為陽極，并在陰極曝氣。通電時，在陰極陽極上將進行相同電化學當量的電化學反應，在陽極生成F

4、e2，在陰極上生成H2O2二者反應生成具有強氧化性的羥基自由基(OH)。而曝氣在提供氧氣的同時，也起到了混合攪拌的作用，促進Fe2+與H2O2的反應。電解槽內發(fā)生的化學反應：陽極 陰極 溶液中發(fā)生的反應： 除了羥基自由基的氧化作用以外，反應中生成的三價鐵離子和溶液中的氫氧根離子結合生成絮狀的Fe(OH)2、Fe(OH)3將有機物包裹共沉積，也可以起到去除作用。1.5實驗內容 在室溫下，取不同濃度的苯酚模擬廢水2L放入電解槽內，在不同的PH、電壓、苯酚濃度和極板間距，電解120min，取出水過濾，測定苯酚濃度，計算反應對苯酚的去除率。先通過正交試驗各因素對苯酚去除效果的影響程度，確定最佳工況；在

5、通過單因素實驗分析PH、電壓、苯酚濃度和極板間距對處理效果的影響。2實驗結果與分析首先實驗影響因素可以歸結為：電壓、電流、PH值、苯酚濃度、電解質、溫度、電解時間、極板間距等。而在選取正交實驗因素時，考慮到：電流是因變量，而且影響因素、控制因素較多，不易控制；電解時間可以選取一個固定時間，中間間隔采樣，得到電解不同時長的水樣；由于實驗過程和實驗條件的限制，實驗過程中，模擬廢水很難實現恒溫；電解質最主要的作用是提高廢水的導電率，即提高電流強度，而電流已不在正交實驗因素考慮范圍內，綜上所述，確定正交實驗的因素為：電壓、苯酚濃度、極板間距和PH值。實驗條件：實驗時間120min；電解質Na2SO4,

6、濃度為0.05mol/L，即7.1g/L；溫度為室溫。正交實驗中因素水平的確定要根據實驗的具體情況確定。生物法所能處理的含酚廢水一般要求酚含量在100mg/L以下，所以電Fenton法處理苯酚廢水實驗的進水苯酚濃度要高于100mg/L；Fenton反應要求Fe2+是離子態(tài)，不能發(fā)生沉淀，這就要求廢水的PH值必須低于7，參考相關文獻，Fenton反應的最佳PH值在24之間；而極板間距過大增大電解槽電阻，消耗電能，可能導致電流過小，而極板間距過小，又會發(fā)生電解槽短路，損壞直流電源，而且在實際工程應用中也難以實現。正交實驗因素水平見下表。表1 正交實驗因素水平表 因素水平ABCD電壓V苯酚濃度 mg

7、/LPH值極板間距 cm110160332152004432024022表2 正交實驗結果試驗號因 素苯酚去除率電壓V苯酚濃度 mg/LpH值極板間距 cm1101603318.332102004422.113102402220.364151604223.675152002332.626152403437.907201602438.998202003250.329202404324.72通過正交實驗得出各因素對苯酚去除效果的影響，實驗結果表明：電壓(V)、苯酚濃度(mgL)、pH值和極板間距（cm）的極差分別為17.640、7.92、12.017和7.877。由極差大小得知各因素對苯酚去除效果

8、的影響程度由大到小依次為：電壓、PH值、苯酚濃度和極板間距。表3 正交實驗數理分析因素ABCD20.37026.99735.51725.12331.29734.91723.50033.00038.01027.76330.6631.553R17.6407.9212.0177.877為進一步研究電Fenton法處理模擬苯酚廢水的工況條件，進行單因素實驗，實驗順序根據正交試驗分析結果，以對苯酚去除效果的影響程度由大到小定為：電壓、PH值、苯酚濃度和極板間距。2.1電壓對苯酚去除效果的影響配制苯酚濃度為200mg/L的模擬廢水，電解質Na2SO4濃度為0.05mol/L，極板間距為3.5cm，PH值2

9、.5，反應時間120min，分別在電壓為1、2、3、4、5、10、15、20V下進行實驗來分析電壓對苯酚去除效果的影響，實驗結果見下圖。圖2 電解電壓對苯酚去除率的影響電解電壓大，有利于苯酚的降解。提高電壓，電解槽中物質的反應劇烈程度明顯加快，電解電壓大小決定了提供反應能量的大小，電壓越高，提供的能量也多，在其他條件相同的情況下，電壓越大，產生的Fenton試劑越多，處理效果越好，但能耗越大，成本越高。應當在處理效果和能耗之間找一個平衡點。本實驗選取電解電壓20V，處理效果可以達到50。2.2苯酚濃度對苯酚去除率的影響配制苯酚濃度分別為120、160、200、240、300mg/L的模擬廢水，

10、電解質Na2SO4濃度為0.05mol/L，極板間距為3.5cm，PH值2.5，反應時間120min，在電壓20V下進行實驗來分析廢水苯酚濃度對苯酚去除效果的影響，實驗結果見下圖。圖3 苯酚濃度對苯酚去除率的影響由上圖可知，在苯酚濃度為200mg/L時，去除率最高。一方面，在廢水中苯酚濃度越高，越容易與強氧化性羥基自由基（OH）發(fā)生接觸并反應；另一方面強氧化性羥基自由基（OH）的產生量主要取決與電壓、PH值、電解質、極板間距、曝氣強度這些因素，與苯酚濃度的關系不大，所以在這些因素相同的條件下，產生的強氧化性羥基自由基（OH）的量相差不大，對于相等化學當量的強氧化性羥基自由基（OH）能去除的苯酚

11、的量是相同的，所以苯酚濃度越高，去除率應當越低。而在這兩個方面的作用下，電Fenton法處理苯酚廢水就苯酚濃度存在著極值，即不是濃度越高越好，而是如上圖所示在苯酚濃度為200mg/L時，處理效果最好。2.3 PH值對苯酚去除率的影響配制苯酚濃度為200mg/L的模擬廢水，電解質Na2SO4濃度為0.05mol/L，極板間距為3.5cm，電解電壓20V，反應時間120min，分別在PH值為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5下進行實驗來分析PH值對苯酚去除效果的影響，實驗結果見下圖。圖4 PH值對苯酚去除率的影響苯酚在酸性條件下去除率較高，但是PH值過低會對極板造成腐蝕，在pH值為2.5的時候

12、去除效果最好；隨著pH值的增高，去除率逐漸降低。這是由于在PH值低的條件下，溶液中存在著較大量的H+，使得在曝氣的條件下陰極生成H2O2（）的反應更易進行，而且在溶液中的Fe2+以離子狀態(tài)存在，能夠與H2O2發(fā)生反應，迅速轉化為OH，從而使有機物和還原物質的氧化速度加快。本實驗將pH值控制在2.5為最佳。2.4極板間距對于不同結構的反應槽，最佳極板間距是不同的。極板間距過大，造成槽電阻過大，影響反應電流。極板間距過小，會導致短路，使得電流過大，損壞直流穩(wěn)壓電源。極板間距的大小直接影響強氧化性羥基自由基的生成，過大過小都不可。結語：（1）在實驗范圍內，最佳工況為電壓20V，苯酚濃度為200mg/

13、L，電解質Na2SO4濃度為0.05mol/L，極板間距為3.5cm，PH值2.5。（2）PH過低會對極板造成腐蝕，過高則不利于反應進行。經實驗確定最佳PH為2.5。（3）電Fenton法處理苯酚廢水就苯酚濃度存在著極值，在試驗范圍內苯酚濃度為200mg/L時，處理效果最好。參考文獻(1)韓笑.光催化氧化法處理含高濃度苯酚、甲醛廢水的研究D.四川大學：2004.5(2)張芳，李光明，趙修華，胡惠康，黃菊文.電Fenton法廢水處理技術的研究現狀與進展J.工業(yè)水處理.200412，24(12)：10Study on the conditionof Phenol simulated wastewa

14、ter with E-Fenton processDiao Zhijun1, 2, Li Yan1, Zhang Yanqiu11.School of Environment Spatial Informatics, China University of Mining and Technology,Xu Zhou(221008)2.Jiangsu Key Laboratory of Resources and Environmental Information Engineering ,Xu zhu (221008)Abstract:In this paper the phenol wast

15、ewater was treated by E-Fenton reagent. The electrodes takes iron as anode and ACF as cathode, and the air was blown to the cathode by the air compressor. Through the orthogonal test and the single factor experiment, the influences of PH、Voltage、phenol concentration and plate distance to removal rate