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模拟太阳光条件下草酸钠-Fenton试剂降解苯酚

2023-10-05 来源:易榕旅网
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第44卷第4期 吉林大学学报(理学版) V01.44 No.4 2006年7月 JOURNAL OF JILIN UNIVERSITY(SCIENCE EDITION) July 2006 模拟太阳光条件下草酸钠-Fenton试剂降解苯酚 康春莉,冯淑霞,郭平,郭晶,张立辉 (吉林大学环境与资源学院,长春130012) 摘要:采用氙灯模拟自然条件下的太阳光,研究了苯酚在草酸钠・Fenton反应体系作用下的降 解规律.对光源、H O 、C2O;一、Fe 的初始浓度以及pH值对苯酚的去除率的影响进行了探 讨.结果表明,C2O;一能有效强化Fenton试剂对苯酚的作用,在初始pH值为4、过氧化氢浓 度为0.735 1 mmol/L、草酸钠浓度为0.074 63 mmol/L、亚铁离子浓度为0.053 6 mmol/L时, 溶液中0.595 2 mmol/L苯酚在90 min的降解率可达76.5%,其降解过程符合一级动力学方 程.GC.MS分析表明,苯酚降解的中间产物主要为苯醌和有机酸. 关键词:苯酚;光降解;Fenton试剂 中图分类号:X132 文献标识码:A 文章编号:1671-5489(2006)04-0658-05 Degradation of Phenol by Sodium Oxalate-Fenton Reagent under Simulated Sunlight KANG Chun.1i,FENG Shu・xia,GUO Ping,GUO Jing,ZHANG Li—hui (College ofEnvironment and Resources,Jilin University,Changchun 130012,China) Abstract:Degradation of phenol irradiated with a xenon lamp was studied in the presence of sodium oxalate・ Fenton reagent.Effects of light,the initial concentrations of H2O2,C2O 一,Fe“and pH vMue on the reactions were investigated.The result shows that C2O —can effectively intensify the effect of the Fenton reagent,and under the following conditions,that is,pH=4.0,C(H2O2)=0.735 1 mmol/L,C(Na2C2O4)= 0.074 63 mmol/L,C(Fe“)=0.053 6 mmol/L,the degradation rate of phenol with a mass concentration of 0.595 2 mmoVL was 76.5%under simulated sunlight iradiation for 90 min and the degradation course obeyed the one order kinetic equation.The main intermediates were also identified by GC—MS,and they were organic acid and benzoquinone. Key words:phenols;ph0t0degradati0n;Fenton reagent 利用光氧化及光催化处理难降解有机物是环境科学研究的热点问题之一,常见的光氧化与催化技 术有uV・H 0 体系、uV—Fenton体系以及uV—TiO,体系,而这些体系均需要紫外光照射,不能很好地 利用太阳光¨ .草酸钠.Fenton试剂氧化法是近来常用的一种更高效的氧化方法,即在原有Fenton试 剂的基础上投加草酸钠.目前,国内外应用草酸钠一Fenton试剂氧化法已成功降解了氯仿、偶氮苯、三 氯乙烯、苯胺等,该法效率较其他方法高 J,且具有较强的利用紫外线和可见光的能力,羟基自由基 (・OH)的产生速率高,但目前国内外这方面的研究还比较有限 J.为此,本文采用氙灯作为太阳光模 拟器,利用模拟太阳光+H O +Na C O +FeSO 反应体系,研究了苯酚水溶液的降解规律.结果表 收稿13期:2005-09—15. 作者简介:康春莉(1963~),女,汉族,博士,教授,博士生导师,从事环境化学与环境分析化学的研究,E-mail:kangchunli2002@ l63.corn. 基金项目:国家自然科学基金(批准号:20577014). 维普资讯 http://www.cqvip.com

第4期 康春莉,等:模拟太阳光条件下草酸钠-Fenton试剂降解苯酚 659 明,草酸钠的加入显著地提高了Fenton试剂的氧化能力. 1 实验部分 1.1仪器与试剂 TOC—Vcph岛津总有机碳分析仪(13本岛津制造所),高效液相色谱仪(美国Waters公司), UNIC-7200分光光度计(尤尼科(上海)仪器有限公司),pHS-3C型数字酸度计(杭州东星仪器设备 厂),78—1磁力加热搅拌器(江苏省金坛市金城国胜实验仪器厂),ST-92型照度计(北京师范大学元电 仪器厂),400 W高压汞灯(飞利浦亚明照明有限公司),XQ5OO型球形氙灯(上海电光器件有限公司), 石英杯(自制).苯酚、30%过氧化氢、铁氰化钾、4-氨基安替比林、氨水、氯化铵、硫酸亚铁和草酸钠 均为市售分析纯,实验用水均为无酚二次水. 1.2分析及实验方法 苯酚的分析方法采用4一氨基安替比林法测定 . 选择苯酚溶液的初始浓度为0.595 2 mmolfL,过氧化氢浓度为0.735 1 mmol/L、草酸钠浓度为 0.074 63 mmol/L、硫酸亚铁浓度为0.053 6 mmol/L,用0.1 mol/L的NaOH和H2SO 调节溶液的pH 值为4,倒人石英杯中,将杯的中心放在距球型氙灯的球中心25 cm距离处,电流为10 A,电压为 50 V,光照强度约为17 000 Ix.在10,20,30,50,70,90 rain时取样测定溶液中苯酚浓度,计算降解率. 苯酚的降解率 (%)=(c。一c )/c。×100%,其中c。为苯酚初始浓度,c 为t时间降解后苯酚的浓度. 2结果与讨论 2.1光暗反应对照实验 光是光化学反应发生必不可少的条件,对于0.595 2 mmol/L的苯酚溶液,分别进行有光(氙灯)存 在时的光氧化降解反应和无光存在时的暗反应,结果如图1所示。从图1中可以看出,光对反应速率 的影响非常大.在暗处,反应体系中苯酚降解极其缓慢;而在氙灯照射下,苯酚可以迅速降解. 由光一Fenton试剂的反应机理(方程(2.1)~(2.5))可知,光照可以促进・OH的产生,并促进 Fe 和Fe 之间的相互转化过程,从而促进苯酚发生进一步反应,提高了苯酚的降解速率 ]. H202+h — 2・OH, (2.1) Fe +H202—}Fe +・OH+OH一, (2.2) Fe +・OH—}Fe +OH一, (2.3) Fe +H202—}Fe +HO2・+H , (2.4) Fe(OH) ・— Fe +・OH. (2.5) 2.2 H2O2浓度的影响 H O 是产生・OH的主体,H O 的用量将直接影响・OH的产生速率和生成量,进而影响苯酚的 降解速率和降解率 .改变H O 的初始浓度对苯酚光降解的影响如图2所示.苯酚的降解率随H O ‘= I l二 ● 8・ 0 吕 i g 曼 0 10 2O 3O 4O 5O 60 70 0 1O ZO 3O 4O 5O 60 7O 8O 9O Time/min Time/min Fig.1 The comparison between the photol reaction Fig.2 Effects of the concentrations of H202 on and the dark reaction hte degradation of phenol ◇Dark;口xenon lamp 17 000 lx. c(H202)/(mmol・L ):0.294(◇),0.558(口), 0.882(△),1.176(●),1.147({l}). 维普资讯 http://www.cqvip.com

吉林大学学报(理学版) 第44卷 浓度的增加而增加.当H 0 用量超过0.588 1 mmol/L时,溶液中苯酚的降解率增加趋势不明显.这 是因为过量的H 0 会成为・OH的消除剂,抑制反应进行,为保证反应充分进行,选择H 0 浓度为 0.735 1 mmol/L. 2.3 Na2C2O.浓度的影响 在Fenton体系中加入草酸钠可以提高苯酚的降解速率.这是因为反应过程中形成的草酸铁络合物 争夺紫外线的能力较强,可以在较宽的波长范围内吸收光,发生光解 .草酸钠-Fenton体系的作用机 理为 : Fe +H202 Fe +OH一+・OH, (2.6) Fe +3c2O 一 Fe(C204);一, (2.7) Fe(C204);一 Fe2 +2c2O 一+c2O ・, (2.8) c2O ・+Fe(C204);一 Fe2 +3c2O 一+CO2, (2.9) C2O ・一CO2+CO ・. (2.10) 在空气饱和溶液中,酸性条件下,C O ・和co;・会进一步与0 反应,最终生成H 0 : C202・/CO;・+02—2C02+O ・, (2.11) 202・+2H H202+02. (2.12) 该反应提供了持续的H 0 来源,增强了体系对苯酚的降解能力.光解产生的Fe 可迅速与H 0 反应 生成・OH,提高了H 0 的利用率.Fe 和c o:一可形成3种稳定的络合物Fe(C 0 ) ,Fe(C 0 ) 和Fe(C 0 ) ,它们都具有光化学活性,其中以Fe(C 0 ) 活性最强,在紫外区具有极佳的光谱特 性,对紫外线吸收能力很强,提高了对光的利用率,在水处理中发挥主要作用 ].改变革酸钠的初始 浓度对苯酚光降解的影响如图3所示,由图3可以看出,苯酚的降解率随草酸钠加入量增加而增大; c(C2O 一)>0.074 63 mmol/L时,随草酸钠加入量的增加,降解率增加趋缓且有下降趋势.这是由于 Na C 0 浓度较低时,Fe(C 0 );一的生成量小,体系中产生的・OH少;而NaEC 0 浓度过高,又会对 Fe(C 0 );一的光解反应起抑制作用,而且会使体系内HC03-和co;一浓度增加,它们与・OH发生副 反应,使・OH被消除 J, co;一+・OH—co;・+OH一, (2.13) HCO;+・OH—co;・+H20, (2.14) 因此,选择Na2C204用量为0.074 63 mmol/L. 2.4 FeSO.浓度的影响 Fe 是催化产生自由基的必要条件.FeSO 的初始浓度对苯酚光降解的影响如图4所示. 0.6 0.6 0 ‘口 0 ‘口 鲁 0.4 芑・ 鲁 0.4 芑・ 墨l0.2 l0-2 0.0 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 8O 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time/rain Time/rain Fig.3 Effects of the concentrallons of Na2C204 on Fig.4 Effects of the concentralions of FeSO4 on hte degradation of phenol hte degradation of phenol c(Na2C204)/(mmol・L一 ):O(o),0.014 9(◇), c(FeSO4)/(mmol・L一 ):O(◇),0.017 9(△), 0.074 6(△),0.149 3(口),0.298 5( ).0.053 6( ),0.107 1(o). 由图4可见,随着Fe 浓度的增加,苯酚的降解率逐渐增大,并在Fe 浓度为0.053 6 mmol/L时 降解效果最佳,继续增加Fe ,降解率呈下降趋势.其原因是:Fe 浓度逐步增加,促进反应(2.2)的 进行,对H 0 的分解作用逐步加强,提高了体系的氧化能力;当Fe 浓度过高时,过多的Fe 与 维普资讯 http://www.cqvip.com

第4期 ・康春莉,等:模拟太阳光条件下草酸钠-Fenton试剂降解苯酚 OH发生发应(2.3),消耗・OH,阻碍反应的进行.故选择Fen的浓度为0.053 6 mmol/L. 2.5初始pH值的影响 用0.1 mol/L的NaOH和H:SO 调节反应液的初始pH值,分别测定不同pH值条件下,反应不同 时间溶液中苯酚的浓度如图5所示,由图5可知,pH值对反应也有重要影响.根据Fenton试剂反应机 理,由反应式(2.3)和(2.4)可以看出,pH值的升高不仅抑制・OH的生成,而且使溶液中的铁离子以 氢氧化物的形式沉淀而失去催化能力.当pH值过低(低于3)时,溶液中的氢离子浓度过高, 三价铁不能顺利还原为二价铁,催化反应受阻,即pH值的变化,影响三价铁与二价铁的络和平衡体 系,从而影响草酸铁一Fenton试剂的氧化能力. 由图5可以看出,反应液初始pH值为4时溶液中苯酚降解速率最大,所以本实验选择初始pH值 为4. 2.6光源的影响 光源是光助草酸钠.Fenton反应的重要影响因素,本实验比较了在最佳条件下,采用氙灯(光强为 17 000 lx)、高压汞灯(光强为4 230 x)以及太阳光作光源对苯酚降解的影响,结果如图6所示,由图6 I可见,该光解体系可以有效地利用太阳光.太阳光下取样时的客观条件列于表1. =l 7互 岂 0 20 40 60 80 : 曼 1. 1§ 0 . 0・ 薹 0 20 40 60 80 100 Time/win Fig.5 Effects of diferent pH values on the degradation of phenol Time/win Fig.6 Effects of diferent lights on the degradation ofphenol ofunit intensity pH:2(◇),4(口),6(A),8(◆),10(豢). UV(◇),xenon lamp(口),sunlight(A). Table 1 Natural conditions of taking a sample under the samllght 2.7苯酚降解动力学 由图l可知,苯酚在反应50 rain以后,去除率不再大幅度增加,苯酚的转化主要发生在开始的 50 rain以内.按一级动力学方程: In(cJc。)=一 对苯酚降解过程进行拟合,拟合方程为Y=0.0188x+0.1577,一级回归方程的相关系数R =0.989 6 大于临界相关系数(R>0.95).表明苯酚的光降解反应过程可用一级反应动力学方程描述(式中k为 ig.7 The samplFs of HPLC pateterns at diferent lime points 维普资讯 http://www.cqvip.com

662 吉林大学学报(理学版) 第44卷 一级反应动力学常数(min ),c 和c。分别为光照t时反应物浓度和反应物初始浓度,k=0.018 8). 2.8草酸钠-Fenton试剂降解苯酚的机理 苯酚在270 nm处有最大吸收,而H 0 ,FeSO 和Na C 0 在270 nm处均无明显吸收,即对苯酚 的吸收峰没有影响.图7为最佳条件下,光降解不 50 同时间的苯酚溶液的HPLC图,苯酚的出峰时间为 、 40 2.5 min,在本实验条件下,溶液中苯酚的降解很迅 速,在前50 min内苯酚以及TOC浓度迅速降低(由 峰高、峰面积判断),但是50 min后变化缓慢,同 时TOC的含量随时间变化也不明显,图8为苯酚反 0 50 100 150 200 应液经不同光源照射后反应液的TOC随时间变化 Time/min 图. Fig.8 The change of TOC with lime during the degradation of phenol 从图8可见,TOC的含量随时间变化也不明 Xenonlamp(◇),UV(口),suMight(A). 显,图6和图8所示两者的变化并不同步.这表明 苯酚在反应过程中,主要是转化形成了其他有机合物,并没有完全矿化成无机物.由图7可见,反应 进行50 min时有新物质生成.反应过程中,可以观察到苯酚溶液迅速由无色变为深棕色,经GC.MS鉴 定,生成了苯醌和有机酸 . 。 参考文献 GAO Jia—you.Study on the Degradation of Phenol Induced by Photolysis of Fe(19).Oxalic Acid Complexes[J].Journal of Heifei University ofTechnology(Naturla Science),2004,27(7):792-796.(高甲友.Fe(Ⅲ).草酸配合物光分解 降解苯酚的研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),20o4,27(7):792-796.) [2] ZHANG Nai-dong,HUANG Jun—li,ZHENG Wei,et a1.Treatment of Phenols Containing Wastewater by Photo.Fenton Process[J].Techniques and Equipment for Environmentla Pollution Control,2002,3(2):220-223.(张乃东, 黄君礼,郑威,等.强化UV/Fenton法降解水中苯酚的研究[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(2): 220-223.) [3] ZHANG Nai-dong,LIN Xiu,ZHENG Wei,et a1.The Research on Photo Degradation of Phenols.containing Wastewater by uV-vis/H2 02/Ferrioxalate Complexes Process[J].Journal of Naturla Science of Heilongiiang University,2002. 19(1):103-105.(张乃东,林秀,郑威,等.uV-vis/H 0 /草酸铁络合物法光解焦化含酚废水的研究[J]. 黑龙江大学自然科学学报,2002,19(1):103.105.) [4] 康春莉,徐自力,马小凡.环境化学实验[M].长春:吉林大学出版社,2000. [5] CHEN Chuan—hao,XIE Bo,REN Yuan,et a1.The Mechanisms of Affecting Factors in Treating Wastewater by Fenton Reagent[J].Chinese Journal of Enviornmental Science,2000,21(3):93-96.(陈传好,谢波,任源,等. Fenton试剂处理废水中各影响因子的作用机制[J].环境科学,2000,21(3):93-96.) [6] Raquel F,Pupo N,Guimaraes J R.Photodegradation of Diehloroaeetie Acid and 2.4-Dichlorophenol bv Ferrioxalate/ H2O2 System[J].Water Res,2000,34(3):895-901. [7] KANG Chun‘li,TANG Xiao-jian,WANG Yang,et a1.Degradation of Methyl Orange by UV.Fenton Reagent『J]. Journal of Jilin University(Science Edition),2004,42(3):479-481.(康春莉,唐晓剑,王洋,等.Uv.Fenton试 剂作用下甲基橙的降解规律[J].吉林大学学报(理学版),2004,42(3):479-481.) [8] LIU Qiong‘yu,LI Tai-you.The Degradation of Phenolic Wastewater by Solra Photo.Fenton Processes[J]. Chongqing Environmentla cSiences,2003,25(4):56-60.(刘琼玉,李太友.太阳光助Fenton体系氧化降解苯酚废水的研究 [J].重庆环境科学,2003,25(4):56-60.) (责任编辑:李桂英) 

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