高铁酸钾预氧化去除水中苯酚及其机理

高铁酸钾预氧化去除水中苯酚及其机理

姜洪泉,　于秀娟,　王　鹏,　张国宇,　孟宪君

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090)

摘　要:　研究了高铁酸钾投量、氧化时间及p H值等因素对苯酚去除效率的影响,确定了优化工艺条件:p H=8.0～9.0,连续搅拌,高铁酸钾和苯酚的质量投加比为20∶1,反应时间为10min。此条件下的苯酚去除率为94.4%。初步评估了高铁酸钾氧化去除水中苯酚的运行成本,结果表明去除1.0g COD

Mn需要0.513g Fe(Ⅵ)。此外,还探讨了高铁酸盐氧化去除水中苯酚类有机污染物的机理。

关键词:　高铁酸盐;　氧化;　苯酚;　机理

中图分类号:TU991.2 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2003)13-0047-02

高铁酸盐是20世纪70年代以来开发的新型非氯型水处理剂,它集氧化、絮凝、助凝、杀菌、脱臭等功能于一体,可有效去除水中的污染物,消毒过程不会产生二次污染和其他毒副作用[1、2]。但是关于用高铁酸盐处理水中的酚类有机物,目前尚无系统的试验研究。

1　试验部分

111　高铁酸钾溶液的配制

按文献[3]的方法制备高铁酸钾固体,并用其配制1.00gΠL的浓溶液(p H值维持在9～10)。

112　试验方法

向装有苯酚溶液的烧杯(100mL)中加入一定量的高铁酸钾溶液,磁力搅拌均匀并反应预定的时间后加入亚硫酸钠终止反应。吸取适量水样,按文献[4]的方法测量剩余苯酚浓度。在所有的氧化试验中,均使用硼酸缓冲溶液来稳定p H值。在不考虑p H值影响的条件下,p H值均选择了8.0左右,体系温度控制在20℃左右。

2　结果与讨论

211　反应时间对苯酚去除效果的影响

反应时间对苯酚去除效果的影响见图1(高铁酸钾与苯酚质量比为10∶1)。

图1表明,在其他条件不变的情况下,要达到相同的苯酚去除率(约60%)则连续搅拌所需的时间仅为静止条件下的1Π3。可见,搅拌增加了分子间的碰撞几率,提高了反应活性,从而提高了高铁酸钾对苯酚的氧化速率。此外,在连续搅拌的情况下反应10min后苯酚去除率基本达到最高,此后苯酚的去除率增加很少。因此,在后续的试验中选择高铁酸钾氧化去除苯酚的最佳时间为10min

。

图1　反应时间对苯酚去除效果的影响

212　p H对苯酚去除效果的影响

试验结果表明,p H=6时高铁酸钾对苯酚的去除效果最差(仅为30%左右);在p H=7～9时,随着反应体系p H值的升高则高铁酸钾对苯酚的去除效果显著增强,并在pH=9左右达到最高(去除率接近100%);当pH值超过9后高铁酸钾对苯酚的去除效果显著下降。因此,确定反应的最佳pH值为8～9。213　高铁酸钾投量对苯酚去除效果的影响

中国给水排水

2003Vol.19 CHINA WA TER&WASTEWA TER No.13

图2表明了高铁酸钾投量对苯酚去除效果的影响

。图2　高铁酸钾投量对苯酚去除率的影响

由图2可见,苯酚的去除效率随高铁酸钾浓度

的增加而增长,在质量比相同的情况下,苯酚初始浓度越低则对其去除率越高,所以适宜的高铁酸钾投量取决于水中苯酚的实际浓度。

214　运行成本评估

在前述试验确定的最佳参数下进行试验,结果

表明,去除1g COD Mn 需要0.513gFe 6+

(对苯酚去除率为94.4%),这说明如果单独用高铁酸钾去除含酚水中的COD Mn ,则成本比较昂贵。这就提示我们,在饮用水的处理中应该将高铁酸钾预氧化与其他处理方法结合,以达到降低运行成本和提高去除效果的双重目的。215　去除苯酚的机理探讨高铁酸钾在整个p H 范围内都具有极强的氧化

性,在酸性和碱性溶液中电对Fe (Ⅵ)ΠFe (Ⅲ

)的标准电极电位分别为2.20V 和0.72V ,相应的电极反应为:

　FeO 2-4+8H ++3e -=Fe 3+

+4H 2O

　FeO 2-4+4H 2O +3e -=Fe (OH )3↓+5OH

-Hua Huang 等

[5]

认为,高铁酸钾在氧化去除苯

酚时并不是直接生成Fe (Ⅲ

),而是首先生成Fe (Ⅴ)和过渡态有机物(高铁酸根首先攻击苯酚上羟基中

的氢原子而生成酚氧自由基)。苯酚中氧原子上的p 轨道与苯环上的π轨道形成p -π共轭,增加了苯

环特别是对位电子的电子云密度,酚氧自由基不稳

定,很快便形成对位的醌氧自由基,对位醌氧自由基

与Fe (Ⅴ

)发生双电子氧化,生成对苯醌和Fe (Ⅲ)或4-4’双苯醌和Fe (Ⅲ

)。同时,4-4’双苯醌可能与苯酚发生缓慢的化学反应而生成双酚。Fe (Ⅵ)还原成Fe (Ⅲ

)的过程中将产生正价态水解产物,这些水解产物可能具有比三价铝盐、铁盐等水解产物更高的

正电荷及更大的网状结构,各种中间产物在Fe (Ⅵ

)还原成Fe (Ⅲ

)过程中产生聚合作用,生成的Fe (Ⅲ)能很快形成Fe (OH )3胶体沉淀,这种具有高度吸附活性的絮状Fe (OH )3胶体,可以在很宽的p H 范围内吸附絮凝大部分阴阳离子、有机物和悬浮物,从而也能够部分地去除苯酚和其他有机物。因此,高铁酸盐氧化去除苯酚类有机物是氧化机理与吸附机理共同作用的结果。

3　结论

①　在最佳工艺条件下,高铁酸钾对苯酚的去除率为94.4%。

②　去除1g COD Mn 需要0.513g Fe (Ⅵ

),即单纯利用高铁酸钾去除苯酚废水中的COD Mn 成本比较昂贵。因此,将高铁酸钾作为去除水中苯酚的预处理氧化剂更具有实用价值。

③　高铁酸钾去除苯酚类有机污染物是氧化机理和吸附机理共同作用的结果。参考文献:

[1]　姜洪泉,金世洲,王鹏.多功能水处理剂高铁酸钾的制

备与应用[J ].工业水处理,2001,21(2):4-6.

[2]　De Luca S J ,Idle C N ,Chao A C.Quality improvement of

biosolids by ferrate (Ⅵ

)oxidation of offensive odor com 2pounds[J ].Water Science Technology ,1996,33(3):119-130.

[3]　姜洪泉,王鹏,赵南霞,等.化学氧化法制备高铁酸钾的

清洁生产工艺[J ].现代化工,2001,21(6):31-34.

[4]　奚旦立,孙裕生,刘秀英.环境监测[M ].北京:高等教

育出版社,1995.

[5]　Huang H ,S ommerfeld D ,Dunn B C ,et al .Ferrate (Ⅵ

)oxidation of aqueous phenol :kinetics and mechaniasm [J ].J Phys Chem A ,2001,105(14):3536-3541.

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收稿日期:2003-07-16

2003Vol.19 中国给水排水 No.13