FENTON和类FENTON技术处理水中有机污染物的研究

摘要

水环境的有机污染是一个全球性的问题，其严重程度、性质和危害是随着工业的发展不断发展和变化的。化学合成有机物因其难降解、易在生物体内滞留和富集，导致“三致”效应而严重威胁人类的健康。FENTON技术是一种处理范围广而且处理效率高的污水处理技术，尤其在难降解有机物处理方面。
　　本文以对硝基苯酚为目标污染物，分别采用FENTON技术、铁粉类FENTON技术和铁屑类FENTON技术处理水中难降解的化学合成有机污染物，考察处理效果及影响因素，主要包括PNP初始浓度、pH值、反应药剂投加量等;此外，自行设计了铁屑类FENTON反应器进行了连续运行动态模拟实验研究。主要研究工作和结论如下:FENTON技术能有效降解对硝基苯酚，其中对硝基苯酚的初始浓度、pH值、H2O2和FeSO4的投加量，均不同程度的影响反应效果。在所考察的PNP浓度范围内，对硝基苯酚(PNP)的去除率随着浓度的升高而降低。在pH=3时，反应降解速度最快，pH＜3时，会降低羟基自由基产生效率，初始反应速度较慢，pH＞5时，会抑制羟基自由基的产生，影响反应的进行。H2O2和FeSO4的投加量会影响反应效果，H2O2既是羟基自由基的产生剂，又是羟基自由基的捕获剂，H2O2的适量投加能促进氧化还原反应的产生和进行，过量投加抑制反应进行，造成药剂浪费;虽然FeSO4是FENTON反应的催化剂，但是它的投加量也会影响反应效果，这主要是由于FENTON反应过程伴随着一系列链反应，Fe2+参与其中，影响反应进程。本试验研究的最佳条件:pH=3，PNP初始浓度100mg/L，30％H2O2投加量为3.0ml/L，0.01mol/L的FeSO4投加量20ml/L，反应时间20min后PNP的去除率达97.5％以上。
　　铁粉类FENTON技术对对硝基苯酚的降解效果良好。从工艺条件参数上看铁粉类FENTON技术与FENTON技术相似，就是pH值条件要求更为苛刻即pH＜4。这主要是由于铁粉类FENTON反应的发生是以铁粉还原反应的发生为前提，而铁粉还原有机物的反应需要在酸性条件下，而此反应发生后反应体系pH值会升高，所以对于后面的类FENTON反应来说，初始的pH值应更低。本试验研究的最佳条件:pH=2～3，PNP初始浓度100mg/L，30％H2O2投加量为2.0ml/L，还原铁粉投加量4.000g/L，反应时间20min后PNP的去除率达95％以上。
　　铁屑类FENTON技术降解对硝基苯酚的原理较为复杂，涵盖了零价铁的还原反应，铁碳微电解以及类FENTON反应。对于有机物的降解过程来说既包括被还原也包括被氧化，从实验过程曲线来看，实验过程数据有波动，可能有相互竞争的部分，但是这种竞争对于对硝基苯酚来说还是朝着相同的方向进行的，即是越来越易被降解。主要是还原反应是对硝基苯酚的不易氧化基团硝基被还原成活性基团氨基使其更易被氧化降解，所以这种竞争产生的结果是加快反应效率。本试验研究的最佳条件:pH=3左右，PNP初始浓度100mg/L，30％H2O2投加量为2.0ml/L，铁屑投加量10.0g/L，反应时间20min后PNP的去除率达95％以上。
　　铁屑类FENTON连续运行反应器处理对硝基苯酚废水效果好于烧杯实验。这主要是因为反应器内搅拌均匀，离子间相互碰撞的机率增加。本反应器没有采用滤床形式添加过量铁屑，而是添加适量铁屑而且尽可能均匀固定于反应器内。在连续运行反应器内HRT=30min，其中铁屑单独降解10min，而后加入H2O2形成类FENTON体系运行20min效果较好。初始PNP浓度100mg/L，稳定运行时出水PNP浓度在4mg/L以下。连续运行最长周期为10天，继续运行PNP出水浓度在5mg/L以上。连续运行过程中出现絮凝和铁屑钝化的现象，需要对反应器内铁屑重新活化处理。通过对反应器出水COD和TOC的检测说明该反应器对有机物降解效果良好，对降解产物进行核磁表征可以看出产物复杂但对硝基苯酚已被降解，有长直链产物。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 水污染现状

1．2 合成有机污染物的处理方法

1．2．1 生物处理法

1．2．2 物化处理法

1．2．3 高级氧化处理法

1．3 FENTON处理技术

1．3．1 FENTON技术及其反应机理

1．3．2 FENTON技术的发展

1．4 对硝基苯酚特性及其处理方法

1．4．1 对硝基苯酚及其化学特性

1．4．2 对硝基苯酚废水的处理方法

1．5 课题研究的目的意义及内容

1．5．1 课题研究的目的意义

1．5．2 课题研究的内容

2 实验与分析测试方法

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验原理与方法

2．2．1 实验原理

2．2．2 实验方法

2．3 实验分析方法

2．3．1 铁屑成分XRD分析

2．3．2 对硝基苯酚(PNP)紫外-可见光谱图

2．3．3 对硝基苯酚(PNP)溶液浓度—吸光度工作曲线

2．3．4 CODCr的测定方法

2．3．5 TOC的测定方法

2．3．6 核磁共振表征

3 FENTON和类FENTON降解对硝基苯酚的研究

3．1 FENTON降解对硝基苯酚(PNP)的研究

3．1．1 不同初始pH值对PNP的降解效果

3．1．2 不同PNP初始浓度对PNP的降解效果

3．1．3 不同H2O2的投加量对PNP的降解效果

3．1．4 不同Fe2+的投加量对PNP的降解效果

3．2 铁粉类FENTON降解对硝基苯酚(PNP)的研究

3．1．1 不同初始pH值对PNP的降解效果

3．1．2 不同PNP初始浓度下对PNP的降解效果

3．1．3 不同H2O2的投加量对PNP的降解效果

3．1．4 不同铁粉的投加量对PNP的降解效果

3．3 铁屑类FENTON降解对硝基苯酚(PNP)的研究

3．1．1 不同初始pH值对PNP的降解效果

3．1．2 不同PNP初始浓度下对PNP的降解效果

3．1．3 不同H2O2的投加量对PNP的降解效果

3．1．4 不同铁屑的投加量对PNP的降解效果

3．1．5 对比试验

4 基于铁屑类FENTON降解对硝基苯酚的动态模拟研究

4．1 实验装置设计

4．1．1 反应器的设计

4．1．2 实验用铁屑的固定

4．2 反应器运行结果与讨论

4．2．1 反应器启动及运行

4．2．2 反应时间对PNP降解效果的影响

4．2．3 H2O2投加位置和投加量的不同对PNP降解效果的影响

4．2．4 在最佳工艺条件下降解效果的评价

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果