超声协同芬顿试剂处理中性红模拟废水研究_刘安琦.pdf

工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022刘安琦，宋敏，李丹妮，曹文倩，吴德东（东北林业大学 林学院，哈尔滨150040）基金项目：黑龙江省自然科学资金项目（LH2019D002）；黑龙江省大学生创新创业训练项目（202110225239）我国纺织工业废水年排放量高达约200亿t，其中印染废水及其污染物排放总量占全行业的70 801。该类废水若处理不当，会对周围水环境造成潜在生态风险。中性红属偶氮染料，其印染中排放的废水具有色泽深、生化率低、水量大、难处理等特点2-3，不仅对人类健康具有潜在危害，还可引起生态环境恶化，对水生生物生存造成威胁4。实现高效、经济地处理印染废水，对于水体环境保护具有重要意义。20世纪60年代，H R Eisenhauer首次使用Fenton试剂处理苯酚废水和烷基废水5。此后，国内外学者开展了大量有关Fenton法处理废水的研究。Fenton法是一种常用的化学处理方法，具有去除率高、处理效果好、反应速率快等优点，特别适摘要：采用超声波协同芬顿试剂处理中性红模拟废水，在探究n（H2O2）n（Fe2）、pH值、处理时间、处理温度等单因素对脱色率影响的基础上，以脱色率为响应值，选择n（H2O2）n（Fe2）、处理时间、温度3个因素，通过BoxBehnken响应面试验设计，优化中性红模拟废水处理工艺，建立影响因素的二次回归模型。结果表明，最优处理工艺为：废水pH值为4，超声功率为480 W，n（H2O2）n（Fe2）为20667 1，处理时间为3633 min，温度为5133，此条件下脱色率达9760，所得回归模型具有高度显著性（P 0000 1），失拟不显著（P 0619 8），模型对试验拟合较好（R2 0 976 8），此工艺可为中性红染料废水的处理提供参考。关键词：中性红；芬顿试剂；超声波法；脱色率；响应面法中图分类号：X703.1；TQ085文献标志码：A文章编号：%10092455（2022）06002806Study on treatment of neutral red simulated wastewater by ultrasoundcombined with Fenton reagentLIU Anqi，SONG Min，LI Danni，CAO Wenqian，WU Dedong（College of Forestry,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China）Abstract：Neutral red simulated wastewater was treated by ultrasound combined with Fenton reagent.Onthe basis of exploring the effects of n（H2O2）n（Fe2）,pH value,treatment time,treatment temperature and somesingle factor on the decolorization ratio,taking the decolorization ratio as the response value,three factors:n（H2O2）n（Fe2）,treatment time and treatment temperature were selected to optimize the neutral red simulatedwastewater treatment process through Box-Behnken response surface test design,the quadratic regression modelof influencing factors was established.The results showed that,the optimal condition for the said kind of wastewa-ter treatment was:the pH value of the wastewater was 4,the ultrasound power was 480 W,the n（H2O2）n（Fe2）was 206.67 1,the time was 36.33 min,the temperature was 51.33.Under the above condition,the decol-orization rate reached 97.60%,the regression model showed high significance（P 0000 1）,the mismatch wasnot significant（P 0 619 8）,and the model fitted the test well（R2 0 9768）.The process can provide atheroretical reference for the treatment of wastewater containing neutral red dyestuff.Keywords：neutral red;Fenton reagent;ultrasound method;decolorization rate;response surface method超声协同芬顿试剂处理中性红模拟废水研究28用于难处理的工业废水。近年来，Fenton试剂广泛应用于工业废水处理当中，如石化废水、印染废水、焦化废水等6。采用Fenton试剂处理废水时，废水的pH值、H2O2与Fe2的物质的量比、反应温度和时间等因素均会影响废水处理效果。在单纯用Fenton试剂处理废水时，难以实现高效处理目的。故以Fenton试剂为基础，采用组合处理技术，成为了目前的研究热点。文献7研究结果表明，采用非均相电Fenton工艺和CoFe2O4NOM磁性杂化催化剂组合处理高有机负荷的工业废水，表现出优越的性能，有效提高了废水处理效率。利用超声技术处理难降解有机污染物是新兴的水处理技术8，超声技术集合了高级氧化、超临界氧化等特点9，是一种清洁、高效、无二次污染的方法。超声技术能够将废水中的有机大分子污染物分解为环境可以接受的小分子，从而实现净化废水的目的10。本研究以脱色率为响应指标，拟通过Fenton试剂协同超声法，对中性红模拟废水进行处理，在单因素筛选试验的基础上，以脱色率为响应值，采用响应面法优化中性红模拟废水处理工艺，以期为含中性红印染废水处理提供技术参考。1材料与方法11试剂与仪器设备主要试剂：H2O2（30%），FeSO4溶液（005 molL），氢氧化钠溶液（01 molL），盐酸（1 molL）。主要仪器：SB2512DTD型超声波清洗机，791型磁力搅拌器，AP01P真空过滤装置，TU1901型紫外可见分光光度计，PHS3E型酸度计。12试验废水试验废水用去离子水溶解中性红配制而成，中性红质量浓度为100 mgL，pH值为42。13试验方法取50 mgL中性红溶液，于紫外分光光度计350 700 nm进行最大吸收波长扫描，确定中性红max为523 nm。采用单因素试验方法，在超声波协同处理的情况下，分别考察n（H2O2）n（Fe2）、废水初始pH值、处理时间、温度对中性红去除效果的影响规律。在筛选出对中性红去除影响显著的3个因素的基础上，根据BoxBehnken 3因素3水平的试验原理设计响应面分析试验，对中性红处理工艺进行优化。在单因素试验的基础上，选取n（H2O2）n（Fe2）（A）、处理时间（B）、温度（C）3个因素，据BoxBehnken中心组合试验设计原理，以脱色率为响应值，设计3因素3水平的响应面试验优化中性红处理工艺，响应面试验设计如表1所示。14分析方法参考范宇睿等11研究方法，采用分光光度法分别于523 nm处测定处理前后中性红模拟废水吸光度，通过下式进行脱色率计算。式中：D为脱色率，；A0为模拟废水吸光度，Ai为处理后滤液吸光度。2结果与讨论21单因素试验结果211n（H2O2）n（Fe2）对中性红脱色的影响取100 mgL的中性红模拟废水200 mL，在pH值为42，超声功率为480 W，温度为30 的条件下，分别投加FeSO4溶液3 mL，再投加H2O2溶液150、225、300、375、450 mL，处理30 min后，测定滤液吸光度，经脱色率分析，考察n（H2O2）n（Fe2）对中性红脱色效果的影响，结果如图1所示。由图1可知，n（H2O2）n（Fe2）为100 1 200 1时，随着H2O2投加量的增加，废水脱色率逐渐提因素水平-101n（H2O2）n（Fe2）150200250处理时间min253545温度405060表1中性红脱色的响应面试验设计Tab.1Design of response surfaces test for neutral reddecolorizationD=1-AiA0!100%（1）图1n（H2O2）n（Fe2）对中性红脱色效果的影响Fig.1Effect ofn（H2O2）n（Fe2）on neurral red decoloration100 1150 1200 1250 1300 1n（H2O2）n（Fe2）脱色率%10080604020刘安琦，宋敏，李丹妮，等：超声协同芬顿试剂处理中性红模拟废水研究29工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022高，当n（H2O2）n（Fe2）2001时，脱色率为8870；随后提高H2O2量，脱色率显著下降。这是因为随着H2O2投加量的增加，Fenton试剂中 OH增多，利于有机物分解，脱色率会显著提高；但H2O2过量时将消耗OH，其对有机物分解能力降低，使脱色率下降12。因此，确定最佳n（H2O2）n（Fe2）为2001。212pH值对中性红脱色的影响在超声功率为480 W，温度为30，n（H2O2）n（Fe2）为200 1，处理时间为30 min时，考察pH值对中性红脱色效果的影响，结果如图2所示。由图2可知，在pH值由3增至5的过程中，脱色率先上升后逐渐降低，当pH值为4时，脱色率最高，达到91.2%。这是因为当pH值过低时，大量的H与OH结合，导致分解有机物的OH浓度减少；当pH值过高时，会造成Fe2以氢氧化物形式沉淀析出，且抑制了OH的产生，进而降低其催化能力和Fenton试剂的氧化能力13。因此，确定最佳pH值为4。213处理时间对中性红脱色的影响在pH值为4，超声功率为480 W，温度为30，n（H2O2）：n（Fe2）为200 1的条件下，考察处理时间对中性红脱色效果的影响，结果如图3所示。由图3可知，脱色率随时间延长而提高，处理5 25 min时，上升趋势明显，随后逐渐变缓，处理时间为35 min的脱色率为9333，随后提高幅度不显著。这是因为适当延长处理时间，在超声Fenton氧化的协同作用下，Fe2被 OH氧化成Fe3，Fe3在溶液中生成一系列复杂的铁氧络合物，这些络合物能在超声波的辐射下分解成Fe2，使其得到再生，在反应体系中继续作为催化剂高效分解H2O2，体系中产生的 OH可充分氧化降解废水中有机物14。当处理时间过长时，体系中Fe2含量降低，催化作用减弱，OH产生量降低，氧化反应能力显著下降，脱色率提高幅度减小15。综合考虑处理效率及经济成本，确定最佳处理时间为35min。214温度对中性红脱色的影响在pH值为4，超声功率为480 W，n（H2O2）n（Fe2）为200 1，处理时间为35min的条件下，考察温度对中性红脱色效果的影响，结果如图4所示。由图4可知，随着温度升高，废水的脱色率持续提高。当温度为50 时，脱色率高达9759，随后上升趋势变缓。这是因为处理温度适度提高