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编号2010231120 毕业论文（设计）（2014届本科）论文题目：超声-Fenton法对染料废水的脱色研究 学院：化学化工学院 专业：科 学 教 育 班级：2010级科学教育本科班 作者姓名：张 岁 红 指导老师：马东平 职称：讲师 完成日期：2014 年 3 月 15日目录 陇东学院全日制普通本科生毕业论文（设计）诚信声明.3 超声-Fenton法对染料废水的脱色.4 摘要.4 关键词.4 1.引言.4 2.原理.5 3.实验方法.6 3-1 药品及仪器.6 3-2 实验方法.6 3-3 溶液的配制.6 3-4 脱色率的计算.7 4.结果与讨论.7 4-1 甲基橙初始浓度的影响.7 4-2 H2O2浓度的影响.7 4-3 pH的影响.8 4-4 Fe2+浓度的影响.9 5.结论.10 参考文献.11 致谢.12 陇东学院全日制普通本科生毕业论文（设计）诚 信 声 明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计）是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成就，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的论文成果。对本文的研究做出重要贡献的个人或集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 超声-Fenton法对染料废水的脱色研究张岁红（陇东学院化学化工学院，甘肃 庆阳 745000）摘要：本实验采用超声-Fenton法对染料废水的脱色进行处理，通过实验确定了其最佳家工艺条件。结果表明：当甲基橙初始浓度20mg/L，20mg/LH2O2溶液，pH=3.00，C(Fe2+)=40mg/L，染料废水的脱色效果最佳，甲基橙的脱色率达到90%以上。关键词：超声；Fenton试剂；甲基橙Ultrasound-Fenton decolorization of dye wastewater methodZHANG Suihong（LongDong university：gansu province 745000）Abstract：The experimental method using ultrasonic-Fenton decolorization of dye wastewater treated by home experiments to determine its optimal process conditions. The results showed that: When the initial concentration of methyl orange solution 20mg/L, 20mg/LH2O2,pH=3.00, C (Fe2+) =40mg/L,the best decolorization of dye wastewater,The decolorization rate of more than 90%.Keywords：Ultrasound; Fenton reagent; methyl orange1. 引言 近年来，纺织工业迅速发展，染料品种和数量日益增加，染料生产和印染废水已成为水环境的重点污染源之一。染料废水具有有机物浓度高、色度高、无机盐含量高、成分复杂、可生化性差、脱色困难等特点，难以采用常规方法进行治理，且含有多种具有生物毒性或“三致”（致癌、致畸、致突变）性能的有机物，一直是工业污水处理中的难点，也是当前国内外水污染控制领域急需解决的一大难题。采用传统的混凝处理方法对于疏水性染料有效，但对亲水性染料的脱色效果差，COD去除率低。如对水溶性的酸性染料、直接染料和活性染料去除效果不理想。探索染料废水处理特别是脱色的新方法是广大工程技术人员共同关注的问题1-4。超声波由一系列疏密相间的纵波构成, 通过液体介质向四周传播。当声能足够高时, 在疏松的半周期内, 液相分子间的吸引力被打破, 形成空核。空核的寿命约为0.1us,其爆炸瞬间可以产生大约 4000k 和100 MPa 的局部高温高压环境, 并产生速度为110m/s 具有强烈冲击力的微射流, 这种现象称为超声空化5。这些条件足以使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应。这些自由基会引发有机分子断链、自由基转移以及发生氧化还原反应。只要降解条件合适, 反应时间足够长, 超声降解的最终产物都是热力学稳定的单质或矿物质。这表明, 在理论上, 超声法是一种新颖的、无污染的污水处理方法6。采用Fenton试剂法氧化处理废水7-12，其机理：在含有Fe2+离子的酸性溶液中投加H2O2时会发生下列反应：(1) Fe2+H2O2Fe3+OH-+OH(2)R-H+OHR+H2O(3)R+Fe3+Fe2+产物(4)H2O2+OHH2O+H2O(5)2H2O2H02+ 0生成的OH是最活泼的氧化剂之一，能分解常规方法无法分解的有机物。在处理废水时，可与难降解有机物RH发生一系列的自由基链式反应，使其迅速氧化降解，从而使废水的COD大大降低。Fenton试剂由于价格较高，单独使用Fenton试剂处理废水，成本过高，在实际中，通常与其他处理方法联合使用。尤其是超声- Fenton法相结合的方法对水中有机污染物具有独到的去除效果13,超声辐照下,Fe2+催化H2O2作用加剧,有更多的OH产生,可更为有效地降解染料废水中所含有的有机物。2.原理 Fenton试剂是由H2O2和Fe2+复合得到的一种强氧化剂，在处理难生物降解或一般化学氧化难以凑效的有机废水时，具有反应迅速、温度和压力等反应条件缓和且无二次污染等优点。超声波是一种高频机械波，具有波长较短，能量集中，沿直线传播的特点。而超声波技术具有简便、高效、无污染或少污染的特点，是近年来发展的一项新型水处理技术。它集高级氧化、热解、超临界氧化等技术于一体，且降解速度快、能将水体中有害有机物转变成CO2 、H2O、无机离子或比原有机物毒性小易降解的有机物，因而在处理难生物降解有机污染物方面具有显著的优越性。 超声-Fenton法是将超声降解和Fenton体系结合在一起使用的一种方法。在特征波长为460nm下，经过超声降解和Fenton试剂共同的作用，使其脱色率明显最强。3. 实验方法 3.1药品及仪器 药品 ：过氧化氢（天津市登峰化学试剂厂）；甲基橙（西安化学试剂厂）；FeSO4H2O（西安化学试剂厂）；氢氧化钠（广东汕头市西陇化工厂），所用药品均为分析纯。 仪器 ：精密p H计（PHS-3C,上海精密科学仪器有限公司）； 超声波清洗器（KQ3200，40kHz ，120W昆山市超声仪器有限公司 ； 可见分光光度计（7230G，120W，上海精密科学仪器有限公司）；铂电极（213，上海罗素科技有限公司 ）；电子天平（BS110S,北京赛多利斯天平有限公司） 3.2 实验方法 实验以批式进行。在反应器中加入一定浓度的甲基橙模拟底水，并投入一点的H2O2和Fe2+溶液，搅拌均匀。随后利用超声降解，每隔一定时间间隔取样在分光光度计上测定其吸光度（测定波长取甲基橙的特征波长460nm）并以此计算脱色率。甲基橙初始浓度的改变和H2O2浓度的改变及Fe2+浓度的变化通过改变投加量获得。 3.3 溶液的配制 精确称取甲基橙粉末0.2g，倒至小烧杯中，加入蒸馏水使其完全溶解，然后转移至250mL容量瓶中，加入蒸馏水定容、摇匀。然后用移液管吸取该溶液分别稀释为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L的标准溶液。精确称取FeSO4H2O晶体0.0106g，倒于小烧杯中，加入蒸馏水使其完全溶解，然后转移至250mL容量瓶中，加入蒸馏水定容、摇匀，再往溶液中加入少量H2SO4溶液，然后静置。 3.4脱色率的计算 色度去除率（%）=（A0AX)/A0100% A0：反应前的吸光度 AX：反应前的吸光度4 结果与讨论 4.1 甲基橙初始浓度的影响 选择20mg/LH2O2溶液，C（Fe2+）=40mg/L,pH=3.00。研究不同浓度染料底液对超声-Fenton试剂法降解甲基橙。 图1 甲基橙初始浓度对甲基橙脱色率的影响 由图1可见，当时间一定时，在所研究的初始浓度范围内，初始浓度愈大，甲基橙的脱色率愈小；当初始浓度一定时，甲基橙脱色率随着时间的延长而增大。这是因为催化剂表面经历了羟基化作用，一般认为表面羟基为活性点，有机污染物首先在活性点吸附发生反应，因Fe2+/H2O2量一定，反应达到一定程度后，其在催化剂表面的吸附量达到饱和；较高的污染物质量浓度造成目标污染物竞争Fe2+产生的OH活性，另外反应过程中生成的大量中间产物也将消耗大量的OH，从而导致与初始目标物反应OH相对数量减少14,15。为了降低成本，提高H2O2的利用率，超声-Fenton体系适用于较低浓度染料废水的处理。 4.2 H2O2浓度的影响 选择甲基橙初始浓度20mg/L，C(Fe2+)=40mg/L ，pH=3.00。研究不同浓度的H2O2对超声-Fenton体系降解甲基橙的影响。图2 H2O2浓度对甲基橙脱色率的影响 如图2所示，当H2O2浓度仅为10mg/L时，超声-Fenton系统即具有了很强的氧化性能，30min脱色率达到近60%，这是由于超声降解H2O2生成了具有氧化性的OH。随着H2O2浓度增大，脱色效果继续明显的提高。另一方面，从不同浓度的H2O2超声-Fenton系统经过相同超声时间的染料脱色率比较可以看出，超声-Fenton系统的氧化性能并未随着H2O2浓度增大而线性提高，H2O2的利用率随其浓度提高而降低。这是由于H2O2本身亦是一种自由基吸附剂，过量的H2O2会消耗OH。当H2O2达到一定质量浓度后，发生如下反应：H2O2+OHO2H+H2O抑制了OH的产生和造成H2O2的无效分解，使H2O2利用率大大降低。所以，在其他条件一定的情况下，选取H2O2浓度为20mg/L，即可达到较高的脱色率，又可节约药品，降低处理成本。 4.3 pH的影响 选择甲基橙初始浓度20mg/L，C(Fe2+)=40mg/L，20mg/LH2O2溶液。研究不同pH对超声-Fenton系统甲基橙的影响。 图3 pH值对甲基橙脱色率的影响如图3所示，不同pH条件下的超声-Fenton系统的氧化性能是不同的pH=3与pH=5是的脱色效果基本相同，而pH=9时脱色效果较差，表明超声-Fenton体系在中性及酸性条件下氧化性强于碱性条件。OH的电极反应式为:OH-+H+e-=H2O显然，碱性条件不适于氧化还原反应进行16-18。由图可知，在酸性条件下pH=3.00时的脱色效果比pH=5.00更好一些。因此，在其他条件一定的情况下，选取pH=3.00时对甲基橙溶液进行脱色处理。 4.4 Fe2+浓度的影响 选择甲基橙初始浓度20mg/L，20mg/LH2O2溶液，pH=3.00。研究不同浓度的Fe2+对超声-Fenton试剂法降解甲基橙。图4 Fe2+浓度对甲基橙脱色率的影响由图4可见，当时间一定时，在所研究的Fe2+浓度范围内，Fe2+浓度愈大甲基橙的脱色率愈大；当Fe2+浓度一定时，甲基橙脱色率随着时间的延长而增大。在Fenton链反应中，Fe2+作为催化剂，能够促使H2O2分解生成OH，随着Fe2+质量浓度增大，催化能力增强，产生更多的OH，从而使甲基橙的脱色率增大19。虽然Fe2+浓度愈大甲基橙的脱色率愈大，但在实际生产处理中，过高的浓度会使药品的用量增大，处理成本增加。所以在其他条件不变的情况下，选取C(Fe2+)=40mg/L更为合理。5 结论在合适的Fe2+浓度以及H2O2浓度的条件下，超声-Fenton法对甲基橙模拟废水有很好的脱色效果，甲基橙染料经30min处理即从10mg/L降至1mg/L以下，脱色率达90%以上，增大Fe2+浓度或H2O2浓度可明显提高脱色效果，超声-Fenton法处理染料废水适用于酸性条件下进行。染料浓度的增加降低了H2O2的利用率，因此脱色率也相应降低；为提高H2O2利用率，应用超声-Fenton法对染料废水进行脱色降解时，应对染料废水进行预处理，通过相同实验条件的平行实验可知，实验数据的重复性较好。超声-Fenton法处理染料废水甲基橙的最佳条件为：甲基橙初始浓度20mg/L，20mg/LH2O2溶液，pH=3.00，C(Fe2+)=40mg/L，甲基橙的脱色率达到90%以上。参考文献1汪兴涛等.紫外-过氧化氢法对染料废水的脱色J.上海环境化学，1995,14（8）：17-20.2樊邦棠.可溶性染料光催化降解研究J.环境污染与防治，1989,11（4）：16-18.3崔淑兰.臭氧氧化法处理印染废水J.环境污染与防治,1993,15(4):12-13.4赵永才等.微电解法脱除水溶性染料废水色度的研究J.环境污染与防治,1994,16(1):18-21.5 Suslick K S. Sonochemical synthesis of amorphous ironJ. Sonochemistry Science, 1990, 247: 1439- 1455.6 Petries C, Micolle M, Merlin G, et al. Ultrasound and environment: degradation of phenol and benzene derivativesJ. Environ Sci & Tech, 1992,26:1639- 1641.7王鹏，郑威Fenton法在水处理中的发展趋势J化工进展，2001，20(12)：138B.Neppolian,K.Palanivelu.DestructionofcresolsbyFentonoxidationprocessJ.WaterResearch，2005，39(13)：306230729赵得明，徐向荣，王文华，李华斌Fenton试剂与染料溶液的反应J环境科学,1999，20(3)：727410高磊;陈宏;李立青;Fenton氧化法降解甲基橙溶液的研究J;西南大学学报(自然科学版);2010年05期11任百祥.超声-Fenton高级氧化降解染料工业废水的研究N.环境工程学报.2010-4-412孙德智.环境工程中的高级氧化技术M.北京：化学工业出版社，2002,303-305.13常文保，李克安.简明化学分析手册M.北京：北京大学出版社，1981,88.14董娟.化学氧化法制备高铁酸钾及其处理有机废水的研究D.上海：东华大学，硕士论文学位，2007.15LIU Le-cheng,LIU Gang,CEN Pei-lin.Wet air oxidation of printing and dyeing wastewaterJ.Journal of Chemical Engineering of Chinese University,1999,(5):480-484.16LIU Yong-di,XU Shou-chang.The oxidation character of some Fenton reagents and the application in the waste water treatmentJ.Shanghai Environmental Science,994,13(3)：26-38.17薛勇，蒋宝军.Fenton法在污水处理中的应用与研究进展J.中国资源综合利用，2011,29（8）60-62.18刘春英，弓晓峰，曾珍英.Fenton试剂在染料废水中的应用J.环境保护科学，2004,30（12）：9-12.19白蕊，李巧玲，李建强等.Fenton法及类Fenton法在污水处理方面的研究与应用J.化工科技，2010,18（6）：69-73. 致谢本论文在马东平导师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无法、平易近人