超声协同高铁酸钾降解苯酚废水研究

刘菲，刘启龙，黄蓓，赵胜勇

(1.河南省化工研究所有限责任公司，河南 郑州 450052;2.河南省科学院质量检验与分析测试中心,河南 郑州 450002)

苯酚是一种应用广泛的芳香族化合物，具有有毒和不易降解等诸多不良特性[1-2]，对人类健康有一定的威胁[3]。目前处理苯酚废水的方法有物理法[4](吸附法[5]和萃取法[6])、生物降解法[7-9]、化学法[10](化学氧化法[11]、催化氧化法[12-13]、电化学氧化法[14]和超声波氧化法[15])等几种。为了更好地处理苯酚，联合处理方法也逐步被广大科研人员所探索[16]。

超声波[17]和高铁酸钾[18]在处理废水过程中有共性，也有各自的优点。如高铁酸钾具有很强的氧化性，反应产物无毒无害；超声波是一种清洁、无二次污染的新型水处理技术。本研究采用超声协同高铁酸钾法对苯酚废水进行深度处理。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

苯酚、硫代硫酸钠、硫酸、氢氧化钠均为分析纯；高铁酸钾(纯度98.0%，粉末状)为化学纯；苯酚废水为模拟废水(含量为0.10 g/L)。

JJ-1电动机械搅拌器：SYU-4-180T超声波反应器;LC-10AP液相色谱仪;PHS-25数显pH计;JJ-1000电子天平。

1.2 模拟废水配制

准确称取0.30 g苯酚溶于3 L去离子水中，充分搅拌，得到模拟苯酚废水的浓度为0.10 g/L。

1.3 实验方法

在室温25 ℃的条件下，将300 mL苯酚废水加入到500 mL烧杯中，然后将烧杯放入超声波反应器内(事先加入适量高度的水)，开动电动机械搅拌器，转数150 r/min，使用盐酸或者氢氧化钠调节苯酚废水的pH值，加入高铁酸钾后，开动超声波反应器，超声处理的频率为40 kHz，功率为180 W，反应到达预定时间后停止搅拌和超声处理，静置20 min，吸取3 mL上层清液进行离心处理后，将其稀释1/10 后通过液相色谱仪进行苯酚残留浓度分析，根据面积外标法计算苯酚去除率。

单独进行高铁酸钾降解实验时，只打开电动机械搅拌器即可。

2 结果与讨论

2.1 高铁酸钾投加量对苯酚去除率对比

在相同实验条件下，初始pH值为8，反应时间为60 min，改变高铁酸钾的投加量，单高铁酸钾法、超声协同高铁酸钾法对苯酚的去除率，结果见图1。

图1 高铁酸钾投加量对苯酚去除率对比图Fig.1 Comparison diagram of phenol removal rate by potassium ferrate dosage

由图1可知，在超声协同高铁酸钾体系中，60 min 的反应时间里，随着高铁酸钾投加量的增加，在高铁酸钾投加量为1.0 g/L时苯酚去除率达到了90%左右，此后苯酚的去除率基本没有变化，说明反应基本结束，继续加大高铁酸钾投加量意义不大。而在单独高铁酸钾体系中，随着高铁酸钾投加量的增加，苯酚去除率不断提高，在高铁酸钾投加量为1.0 g/L时，苯酚去除率仅为58.7%；即使高铁酸钾投加量为1.6 g/L时，苯酚去除率仍未达到80%。对比两种方法，在使用较低的高铁酸钾投加量情况下，超声协同高铁酸钾法去除苯酚的效果明显好于高铁酸钾单独氧化处理苯酚的效果。超声协同高铁酸钾法不仅有强氧化剂高铁酸钾去除苯酚，而且在超声波作用下，不但在空气泡内发生着苯酚热分解现象，并且水溶液中的水分子热裂解生成较高活性的羟基自由基，增强了对苯酚的氧化能力，所以相同高铁酸钾投加量，超声协同高铁酸钾法具有更好的苯酚去除效果。因此，以下实验两种方法高铁酸钾投加量均设置为1.0 g/L。

2.2 废水溶液pH值对苯酚去除率对比

在相同实验条件下，高铁酸钾投加量为1.0 g/L，反应时间为60 min，改变废水溶液的pH值，单高铁酸钾法、超声协同高铁酸钾法对苯酚的去除率，结果见图2。

图2 废水pH对苯酚去除率对比图Fig.2 Comparison diagram of phenol removal rate by wastewater pH

由图2可知，在超声协同高铁酸钾体系中，60 min 的反应时间内，随着废水溶液pH值的增加，苯酚去除率先升高，然后降低，最佳的pH值为8，此时苯酚去除率为89.8%，但是在pH值6～9范围内，苯酚去除率均为86%以上。而在单独高铁酸钾体系中，随着废水溶液pH值的增加，苯酚去除率也呈现先升高后降低的趋势，最佳的pH值为9，此时苯酚去除率为60.2%。对比两种方法，在相同废水溶液pH值的情况下，超声协同高铁酸钾法去除苯酚的效果明显好于高铁酸钾单独氧化处理苯酚的效果。单高铁酸钾法中的高铁酸钾在酸性条件下不稳定，在碱性条件下稳定性提高，所以单高铁酸钾法在pH值为9的时候苯酚去除率达到最高，而超声协同高铁酸钾法在酸性条件下溶液中游离氢离子有利于羟基自由基的产生，增强了对苯酚的氧化能力，所以在酸性条件下超声协同高铁酸钾法苯酚去除率远远大于单高铁酸钾法，在碱性条件下虽然超声波去除苯酚的作用会降低，但是高铁酸钾在碱性条件下稳定性大大增强，所以出现了在pH值6～9范围内，苯酚去除率均为86%以上这一现象，而最佳pH值为8。因此，以下实验两种方法废水溶液的pH值均设定为8。

2.3 反应时间对苯酚去除率对比

由图3可知，在超声协同高铁酸钾体系中，随着反应时间的延长，苯酚去除率逐步升高，最后基本不再变化。在最初的10 min，苯酚去除率达到63.1%；50 min达到最高的89.8%，而后苯酚去除率基本不变。而在单独高铁酸钾体系中，随着反应时间的延长，苯酚去除率和在超声协同高铁酸钾体系类似，区别在于苯酚去除率较低，且出现最高时间为40 min。对比两种方法，在相同反应时间50 min的情况下，超声协同高铁酸钾法去除苯酚的效果明显好于高铁酸钾单独氧化处理苯酚的效果。

图3 反应时间对苯酚去除率对比图Fig.3 Comparison diagram of reaction time on phenol removal rate

3 结论

(1)超声协同高铁酸钾法氧化降解苯酚废水的效果比单高铁酸钾法更好，在相同高铁酸钾投加量的条件下，苯酚去除率增加30%以上。

(2)超声协同高铁酸钾法处理0.10 g/L苯酚废水时，最佳反应条件是：高铁酸钾投加量1.0 g/L，废水溶液pH值为8，反应时间为50 min，此时苯酚去除率为89.8%。

(3)超声协同高铁酸钾对废水溶液pH值的兼容性较高，在pH值为6～9范围内，苯酚去除率均达到86%以上，具有较好的应用前景，为处理苯酚废水提供了一条选择路线。