Fenton技术降解非水相有机污染物的实验研究

摘要

由于对有机化合物尤其是四氯乙烯(PCE)和三氯乙烯(TCE)等含氯有机污染物的广泛使用和不适当的处理，导致有机物成为土壤和地下水的主要污染物之一。含氯有机污染物十分稳定并具有生物拮抗特性，在环境中不易被分解而受到关注。Fenton氧化法作为一种高级氧化技术，在废水处理领域已经得到深入的研究，而最近在土壤和地下水有机污染修复中也受到越来越多的重视。本论文针对目前仍备受争议的Fenton试剂对非水相有机污染物降解的反应机理，包括反应活性粒子(羟基自由基和超氧自由基)的贡献、反应的位点等关键问题进行了探讨，并系统地考察了温度、催化剂浓度和氧化剂浓度对降解反应的影响，及在Fenton试剂中添加非离子表面活性剂曲拉通TX100和阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，形成表面活性剂-Fenton系统，并初步研究了该系统对非水相有机污染物的降解。本论文采用硫酸铁和乙二胺四乙酸二钠(EDTA)配制的铁螯合剂(Fe(Ⅲ)-EDTA)作催化剂，在对土壤和地下水中的微生态系统生长有利的中性环境条件下进行研究。研究的主要内容包括三部分： 第一，在降解的反应机理方面，反应中是否产生还原性活性粒子超氧自由基；降解反应是以羟基自由基还是以超氧自由基起决定作用；反应发生在重非水相流体DNAPLs(dense non-aqueous phase liquids)的水溶液中，还是可以直接在DNAPLs的非水相降解等问题，目前还存在很大争议。本研究以四氯乙烯(PCE)和三氯乙烯(TCE)为目标有机污染物，采用异丙醇和氯仿分别作为羟基自由基和超氧自由基的俘获剂，来验证降解反应中是否产生超氧自由基以及何种活性粒子起决定作用。 结果发现：在Fenton试剂降解PCE/TCE DNAPLs的反应中，不仅产生羟基自由基，还产生超氧自由基，并以羟基自由基的贡献为主，羟基自由基的产生与否与氧化剂量的多少没有必然联系；采用气相色谱法，分析比较反应30 min时降解反应与挥发溶解实验中PCE剩余量，计算得出，除催化剂与氧化剂浓度皆很低及与PCE的配比很小的情况外，Fenton试剂可以直接降解非水相的PCE。 第二，研究了温度、催化剂浓度、氧化剂浓度对Fenton试剂降解PCE DNAPL的影响，优化了反应条件。 实验表明： 1.同一反应时间时，20、40和60℃的环境温度中，从降解效果和经济上考虑，40℃时为最佳反应温度。 2.在有机物、氧化剂浓度一定时，0.5、5和10 mM催化剂浓度中，5mM催化剂浓度为最佳反应浓度；而在有机物、催化剂浓度一定时，50、100和200 mM氧化剂浓度中，100mM氧化剂浓度为最佳反应浓度。浓度过高或过低都不利于降解反应的进行。 第三，首次在反应体系中添加非离子表面活性剂曲拉通(TX100)或阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，构成表面活性剂-Fenton体系，对PCEDNAPL的降解进行了探讨。 结果发现： 1.添加TX100或SDBS，都能显著促进Fenton试剂对PCE DNAPL的降解效果，且TX100对降解反应的促进性要高于SDBS。 2.表面活性剂的添加量及反应初始浓度与该体系的降解效果成反向关系，在表面活性剂少量且反应初始浓度较低时，该体系的降解效果更好。 3.系统温度在0～60℃时，与非离子表面活性剂-Fenton体系的降解效果成反比关系：系统温度在4～38℃时，与阴离子表面活性剂-Fenton体系的降解效果成反比关系。 4.表面活性剂-Fenton体系降解PCE DNAPL的反应中羟基自由基起主要作用，且在降解反应过程中有超氧自由基生成。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

1绪论

1.1土壤/地下水的DNAPLs污染综述

1.2 DNAPLs污染修复技术进展

1.2.1污染修复技术研究现状

1.2.2 Fenton修复技术在土壤和地下水中的发展

1.2.3反应初始机理研究

1.2.4现场修复实例

1.3选题依据与研究内容及意义

2 Fenton试剂降解非水相有机污染物的机理研究

2.1概述

2.2 Fenton试剂反应机理

2.2.1 Fenton试剂的催化机理

2.2.2 Fenton试剂的氧化能力及其氧化反应途径

2.3材料和方法

2.3.1仪器与主要试剂

2.3.2实验方法及过程

2.4结果和讨论

2.4.1异丙醇捕获羟基自由基

2.4.2氯仿捕获超氧自由基

2.4.3 PCE有机相的降解

2.5本章小结

3非水相有机污染物降解影响因素分析

3.1引言

3.2材料和方法

3.2.1仪器与主要试剂

3.2.2反应装置

3.2.3实验方法

3.3结果和讨论

3.3.1温度

3.3.2铁螯合剂

3.3.3过氧化氢

3.4本章小结

4表面活性剂-Fenton体系对DNAPL的降解实验研究

4.1引言

4.2实验材料与方法

4.2.1实验材料

4.2.2反应装置与实验过程

4.3结果与讨论

4.3.1表面活性剂对Fenton试剂降解PCE的促进性

4.3.2表面活性剂浓度对表面活性剂-Fenton体系降解PCE的影响

4.3.3温度对表面活性剂-Fenton体系降解PCE的影响

4.3.4活性粒子检测

4.4本章小结

5结论、创新点与下一步工作

5.1主要结论

5.1.1 Fenton试剂降解PCE/TCE非水相有机污染物的反应机理

5.1.2 Fenton试剂降解PCE的影响因素

5.1.3表面活性剂-Fenton改性体系

5.2主要创新点

5.3下一步工作

参考文献

致谢

攻读硕士期间撰写和发表的学术论文、个人简历