类芬顿法对日落黄废水的处理研究

1、类芬顿法对日落黄废水的处理研究摘 要：研究用硫酸渣取代亚铁离子作催化剂，催化过氧化氢产生羟基自由基，用其来处理日落黄废水时的最佳反应条件。对于芬顿试剂而言，不同比例的投入量，不同的pH和不同的温度等因素都能影响日落黄最后的脱色效果。本次实验通过控制变量法，并分析最后的脱色效果，找到了最佳的反应条件，其各个变量对脱色率的影响程度如下：温度pH硫酸渣过氧化氢。在最佳的反应条件下，日落黄的脱色率达到了92%，说明该类芬顿法对日落黄废水有良好的处理效果。关键字：硫酸渣；芬顿试剂；羟基自由基；日落黄Research on Treatment of Wasted Water of Sunset Yello

2、w by Fenton-like Oxidation ProcessAbstract: The research is about using pyrite cinder as catalyst to catalyst H2O2 to produce hydroxyl radical, and found the optimum reaction conditions to dispose sunset yellow with it. As for Fentons reagent, the different ratio of the quantity we use, the differen

3、t conditions of pH and temperature, all can affect the find result effect of discoloration effect of sunset yellow. In this experiment, we used controllingvariablesmethod, and analyzed the find result, and then found the most favourable reaction conditions. And the level of the effect of each condit

4、ion may cause to the discolorationrate is following: temperature pH pyrite cinder H2O2. With the best conditions, the discolorationrate of sunset yellow is 92%, which indicated that Fenton-like oxidation process has a favourable answer to the treatment to wasted water of sunset yellow.Key words: pyr

5、ite cinder; Fentonsreagent; hydroxyl radical; sunset yellow目 录1 绪论（1）1.1 前言（1）1.2 试验方法及理论（2）1.2.1 芬顿氧化技术及反应机理（2）1.2.2 分光光度法基本原理（2）2 实验部分（3）2.1 实验仪器设备（3）2.2 实验原料（3）2.3 实验步骤（3）2.3.1 日落黄标准储备液的制备（3）2.3.2 日落黄标准工作溶液的制备（3）2.3.3 日落黄标准溶液的配置及其标准曲线的绘制（4）3 实验数据（4）3.1 变量为硫酸渣时日落黄的脱色率（4）3.2 变量为过氧化氢时日落黄的脱色率（5）3.3 变

6、量为温度时日落黄的脱色率（5）3.4 变量为pH时日落黄的脱色率（5）4 结果与分析（5）4.1 催化剂（硫酸渣）加入量对脱色效果的影响（5）4.2 过氧化氢对脱色效果的影响（6）4.3 温度对脱色效果的影响（6）4.4 初始pH对脱色效果的影响（7）5 结论与总结（7）5.1 结论（7）5.2 总结（7）5.2.1 实验特色及价值（8）5.2.2 存在问题（8）5.2.3 收获与体会（8）参考文献（9）III类芬顿法对日落黄废水的处理研究专业班级：2012级环境工程1班 姜鹏飞指导老师：龙来寿 副教授1 绪论1.1 前言日落黄是一种较为常用的食品添加剂，其化学名为1-对磺酸苯基偶氮-2-羟基

7、萘-6-磺酸二钠盐1。固体日落黄呈粉末状或颗粒状，橙红色，无味，在水、甘油和丙二醇中的溶解性较强，但不溶于油脂。日落黄溶于水之后呈黄橙色，它的吸湿性、耐热性和耐光性强2。在柠檬酸和酒石酸中较为稳定，遇碱后变成褐红色，还原时退色。根据我国有关文件规定，日落黄作为食品添加剂，可用于饮料、糖果、糕点上彩装、红绿丝、罐头、青梅、对虾片中，最大添加量为0.1g/kg；也可用于风味酸乳饮料，添加量最高限制为0.05g/kg；还可用于糖果色衣，添加量最高限制为0.165g/kg；同时还可以用于冰淇淋中，添加量最大限制为0.0887g/kg3。日落黄属水溶性偶氮类色素，经长期药物试验，认为安全性高，在规定的使

8、用量范围内不会对人体健康造成影响，但是长期食用超标添加的这类偶氮类色素的食品，会加重肝脏的解毒负担，严重伤害肝脏功能4。有研究表明长期摄入人工添加剂会影响儿童的智力，导致多动症等行为障碍5。要处理超标日落黄添加剂溶液，可以从日落黄的理化性质出发。日落黄的耐酸性强，耐碱性尚好，容易被还原，还原时褪色6。过氧化氢具有氧化还原性，不论在碱性溶液中或者是在酸性溶液中都表现为强氧化剂。当溶液中存在微量杂质时，如金属离子（Fe3+，Cu2+）等能催化过氧化氢的均相和非均相分解。故在这里引入Fenton法，用Fenton氧化技术处理超标的日落黄添加剂。由于羟基自由基具有很强的氧化能力，和污染物反应时具有快速

9、、无选择性等特点，而羟基自由基（OH）是在亚铁离子（Fe2+）存在时，催化过氧化氢发生分解得到的。这种由亚铁离子和过氧化氢组成的试剂就是Fenton试剂。但在本次实验研究中，对于芬顿试剂，我们用硫酸渣取代硫酸亚铁作为催化剂催化过氧化氢。硫酸渣是化工废渣的一种，其主要化学成分有氧化铁，二氧化硅，氧化铝，氧化钙，氧化镁，硫，一般还含有铜、钴等7。故本次研究选用硫酸渣取代硫酸亚铁并与过氧化氢组成Fenton试剂，以用来处理超标的日落黄添加剂溶液，并探究其最理想的反应条件，如pH，反应温度，H2O2及催化剂（硫酸渣）的投加量等。1.2 试验方法及理论1.2.1 芬顿氧化技术及反应机理 Fenton氧化

10、是一种物理-化学处理过程，很容易加以控制，以满足处理需要，对操作设备要求不太高。Fenton试剂是由亚铁离子与过氧化氢所组成的体系，在该体系中，亚铁离子能够催化过氧化氢分解，并生成羟基自由基，而羟基自由基具有很强的氧化能力，和污染物反应速度快，能够以较高的速率处理污染物。芬顿反应是以亚铁离子为催化剂的一系列自由基反应。主要反应大致如下：Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH- + OHFe3+ + H2O2 + OH- Fe2+ + HO2 + H+Fe2+ + OH Fe3+ +OH-Fe3+ + HO2 Fe2+ +O2+H+芬顿试剂通过以上反应，不断产生羟基自由基，因其具有强氧化性，

11、故可以无选择性地把有害物质氧化成CO2、H2O或矿物盐，且不产生二次污染8。根据上述Fenton试剂反应的机理可知，羟基自由基是氧化有机物的有效因子，而亚铁离子、过氧化氢、氢氧根决定了羟基自由基的产量，因而决定了与有机物反应的程度。影响该系统的因素包括溶液pH值、反应温度、H2O2投加量、催化剂种类、催化剂与H2O2投加量之比等。1.2.2 分光光度法基本原理当一束平行单色光通过均匀且非散射的吸光物质的溶液时，由于一部分光被溶液中的吸光粒子吸收，光束强度由o衰减到t。而透射光强度t与入射光强度o之比成为透射比（符号为T）：T=t /o 溶液对光的吸收程度用吸光度A表示，吸光度与吸收介质厚度b、

12、溶液浓度c以及入射光波长有关。对于一固定波长的入射光，溶液的吸光度只与吸光介质厚度和溶液浓度有关。朗伯于1760年指出溶液的吸光度与吸收介质厚度成正比，此即朗伯定律；比尔于1852年指出吸光度与溶液浓度成正比，此即比尔定律9。这两个定律合起来就是光的吸收定律朗伯比尔定律，其数学表达式为 A=Kbc由上式可知，在测定同一溶液的吸光度时，只要保持吸收介质的厚度一定，其吸光度就与吸光物质的溶度成正比，故在进行定量分析时，首先需要确定待测溶液的最大吸收波长，然后以此波长的光为光源，测定一系列已知浓度为c溶液的吸光度A，作出A-c工作曲线，此即溶液的标准曲线。在分析未知溶液的浓度时，可根据待测溶液所测得

13、的吸光度A，并代入到吸光度A的趋势线公式中即可确定待测溶液的浓度。这便是分光光度法测量浓度的基本原理。2 实验部分2.1 实验仪器设备DZG-303A 砾鼎超纯水机（上海砾鼎水处理设备有限公司）、FA1604 型电子分析天平（上海光学仪器一厂）、722s可见分光光度计(上海凌光技术有限公司)、DHG-9076A 电热恒温鼓风干燥箱（上海沪粤明科学仪器有限公司）、SAY-2 水浴恒温振荡器、以及其他玻璃仪器若干。2.2 实验原料 双氧水（30%）、硫酸（98%）、氢氧化钠固体（96%）、日落黄、硫酸渣。 测定日落黄的工作条件：分析波长480nm。2.3 实验步骤2.3.1 日落黄标准储备液的制备

14、将100mL烧杯洗涤干净后再用蒸馏水洗一遍，放入电热恒温鼓风干燥箱中烘干，待其冷却至常温时，放在分析天平中，归零，称取1.0000g的日落黄于该烧杯中，向烧杯中加入约三分之二的蒸馏水，用玻璃棒搅拌至日落黄完全溶解，后倒进1000mL经蒸馏水洗涤过得容量瓶中。再向烧杯中加入少许蒸馏水，用玻璃棒搅拌后倒进容量瓶中，并重复上述步骤两到三次，直至烧杯中无残留的日落黄溶液，并完全倒进容量瓶中，再将日落黄溶液定容至刻度线。盖上瓶塞并缓慢的将日落黄溶液摇匀即可。最后贴上标签，储存起来，以备随时使用。最后配得该日落黄标准储备液的溶度为1.0003g/L。2.3.2 日落黄标准工作溶液的制备将250mL容量瓶用

15、蒸馏水洗涤干净，移取日落黄标准储备液（1.0003g/L）25mL于250mL容量瓶中，定容至刻度线，盖上瓶塞并摇匀。贴上标签。该日落黄标准工作溶液的浓度为100.3g/mL。2.3.3 日落黄标准溶液的配置及其标准曲线的绘制准确移取日落黄标准工作溶液（100.3g/mL）0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mL，分别置于50mL比色管中，用蒸馏水定容，配成0.00、4.00、8.00、12.00、16.00、20.00g/mL标准系列溶液。用分光光度法在其最大波长480nm处测定日落黄标准系列溶液的吸光度，以浓度值C(g/mL）为横坐标，吸光度值A为纵坐标，绘出标准曲

16、线（见图1），得出相关系数为：R2 = 0.9992，符合精度要求。图1 日落黄标准曲线3 实验数据3.1 变量为硫酸渣时日落黄废液的脱色率表1 变量为硫酸渣时日落黄的吸光度A及其脱色率硫酸渣/（g）H2O2/（mL）日落黄/（mL）蒸馏水/（mL）吸光度A日落黄浓度/（g/mL）脱色率/（%）0.00000.0010.0040.000.65319.30.00004.0010.0040.000.58017.111.30%0.50014.0010.0040.000.2517.461.60%1.00064.0010.0040.000.2116.267.70%1.50094.0010.0040.00

17、0.1995.969.60%2.00114.0010.0040.000.1975.869.90%2.50134.0010.0040.000.1815.372.30%3.2 变量为过氧化氢时日落黄废液的脱色率表2 变量为过氧化氢时日落黄的吸光度A及其脱色率硫酸渣/（g）H2O2/（mL）日落黄/（mL）蒸馏水/（mL）吸光度A日落黄浓度/（g/mL）脱色率/（%）0.00000.0010.0040.000.66319.61.50041.0010.0040.000.3269.650.90%1.50082.0010.0040.000.3049.054.20%1.50093.0010.0040.000

18、.2587.661.10%1.50114.0010.0040.000.2477.362.80%1.50065.0010.0040.000.2336.964.90%1.50106.0010.0040.000.2296.865.50%3.3 变量为温度时日落黄废液的脱色率表3 变量为温度时日落黄的吸光度A及其脱色率温度/（）硫酸渣/（g）H2O2/（mL）日落黄/（mL）蒸馏水/（mL）吸光度A日落黄浓度/（g/mL）脱色率/（%）301.50035.0010.0040.000.2216.567.50%351.50085.0010.0040.000.1574.677.00%401.50105.00

19、10.0040.000.1053.184.50%451.50115.0010.0040.000.0581.791.50%501.50005.0010.0040.000.0531.692.00%3.4 变量为pH时日落黄废液的脱色率表4 变量为pH时日落黄的吸光度及其脱色率初始pH硫酸渣/（g）H2O2/（mL）日落黄/（mL）蒸馏水/（mL）吸光度A日落黄浓度/（g/mL）脱色率/（%）31.50045.0010.0040.000.2828.358.50%51.50105.0010.0040.000.2577.662.00%71.50115.0010.0040.000.2517.463.00%

20、91.50015.0010.0040.000.1023.085.00%111.50125.0010.0040.000.1494.478.00%131.50075.0010.0040.000.2216.567.50%4 结果与分析4.1 催化剂（硫酸渣）加入量对脱色效果的影响由表1可知，当加入过氧化氢为4毫升，并控制其它变量一定，室温25时，在水浴恒温振荡器中振荡30分钟后，测得的日落黄的吸光度A随着硫酸渣的投入量的不断增加而降低，日落黄的脱色率逐渐增加。脱色率在加入催化剂硫酸渣从0.5g到1.5g之间变化了8.0%，而在加入催化剂硫酸渣从1.5g到2.5g之间变化了2.7%，这时脱色效果变化已

21、经不是很明显。这可能是因为随着催化剂硫酸渣的投入量越来越多，导致过氧化氢分解的羟基自由基越来越多，从而日落黄逐渐被降解。而加入过多的硫酸渣时，脱色率的变化率并不是很明显了，可能是由于溶液中过多的二价铁离子消耗羟基自由基的结果。故催化剂硫酸渣的最佳投入量为1.5g，脱色率为69.6%。4.2 过氧化氢对脱色效果的影响由表2可知，当加入硫酸渣为1.5g，并控制其它变量一定，室温25时，在水浴恒温振荡器中振荡30分钟后，测得的日落黄的吸光度A随着过氧化氢的投入量的不断增加而降低，脱色率逐渐增加。在加入过氧化氢从1毫升到5毫升之间脱色率变化了14%，而在加入过氧化氢5毫升到6毫升之间仅仅变化了0.6%

22、。这可能是由于随着过氧化氢的投入量越来越多，被催化剂催化生成的羟基自由基也越来越多，所以脱色率才会逐渐增加，但由于催化剂的量是一定的，所以尽管过氧化氢越来越多，而最后羟基自由基的含量也会到达一个极值，所以脱色率的变化率在这时已经不明显，故加入5毫升过氧化氢就能达到较好的脱色效果，脱色率为64.9%。4.3 温度对脱色效果的影响由表3中的数据可知，温度是影响日落黄脱色效果的一大因素。数据显示，在其它变量完全相同的情况下，于水浴恒温振荡器中振荡三十分钟，当温度从30度上升至45度时，脱色率从67.5%上升到了91.5%，足足变化了24%，脱色效果甚是明显，然而在50度时，脱色率只比45度时高了0.

23、5%，为92%。因为对于一般的化学反应来说，随着温度的升高，反应物分子的平均动能会增加，从而反应速率加快；但对于一个复杂的反应体系来说，反应温度不仅会使正反应加速，而且也会同时加速副反应和相关逆反应的进行。所以对于芬顿试剂反应体系来说，适当的温度可以激活自由基，而温度过高则可能会使过氧化氢分解为氧气和氢气。故在该研究中，45度时就能使日落黄的脱色效果达到一个较为理想的程度。4.4 初始pH对脱色效果的影响由表4可知，初始pH也是影响日落黄脱色效果较为明显的因素。当其它变量保持不变，于水浴恒温振荡器中振荡三十分钟，初始PH由3到7时，日落黄的脱色率逐渐增高，但是变化并不明显，而当初始pH为9的时

24、候，日落黄的脱色率猛然升高为85%，但是随着初始pH的逐渐升高，脱色率又慢慢降低了。正常情况下当初始pH等于3左右时，芬顿试剂会分解出更多的羟基自由基，而在碱性情况下则会对羟基自由基的生成造成负面效果，但是日落黄的耐酸性能非常好，而耐碱性并不突出，所以可能是因为这个原因使得日落黄在弱碱性溶液中更容易被氧化。故由表4中的数据可知，当初始pH为8到9时，日落黄的脱色效果最明显，其脱色率为85%。5 结论与总结5.1 结论对本次用芬顿氧化技术处理日落黄溶液的研究结果来看，催化剂硫酸渣的投加量、过氧化氢的投加量、温度和pH都在一定程度上影响着日落黄的脱色效果。而影响脱色率最明显的就是温度，当温度在45

25、度时，日落黄的脱色率高达92%；其次影响脱色率较为明显的就是初始pH，实验结果表明，当初始pH为8到10时，日落黄的脱色率能高达85%；再次就是催化剂硫酸渣的投加量，当硫酸渣的投加量为1.5g时，日落黄的脱色率为69.6%；最后是过氧化氢的投加量，当过氧化氢的投加量为5mL时，日落黄的脱色率为64.9%。由此可知，以硫酸渣替代亚铁离子做催化剂的芬顿试剂，可以有效的对日落黄溶液进行处理，且处理效果也非常好。这说明硫酸渣除了可以用来做水泥原料，炼铁原料，制砖原料等，还可以用来做芬顿试剂的催化剂，又因为硫酸渣的价格比硫酸亚铁的价格低很多，所以这样以来还可以降低芬顿试剂的原料的费用。综合以上几点可知，

26、用硫酸渣催化过氧化氢去处理日落黄的研究结果是比较理想的，其最佳的反应条件是在45，pH=9时，过氧化氢和硫酸渣的投加量分别为5mL和1.5g时，日落黄的脱色效果最好。5.2 总结 在本次的实验研究中，遇到过一些自己不能解决的问题，但经过向老师询问之后，老师给了一些建议，最后再经过自己的探讨，问题得到了解决，并获得了实验操作方面的一些经验。总结如下，希望能为以后做这方面研究的同学作参考。5.2.1 实验特色及价值本次研究可以得出芬顿氧化修复技术对色素日落黄的处理效果是良好的，同时利用硫酸渣做过氧化氢的催化剂也是本次实验探究的一大特色。而对于目前社会上有些不正规的产品商家为了自己的利益而去过度的使用食品添加剂，其对人体健康的危害是很大的，所以如果能很好的处理过量的食品添加剂（例如色素日落黄）的话，可以在很大程度上提升人们的身体健康状况。5.2.2 存在问题在前期的实验过程中，由于自己的疏忽，误用了过期的过氧化氢，致使实验结果一直不是很理想，后来发现了这个问题，并换了新的过氧化氢之后，才达到了预期的实验结果。然后在进行实验操作时，因为会多次进行移液和称量，所以数据上会有一些误差存在。5.2.3 收获与体会大学四年一晃而过，在这四年里，做了什么，学到了什么，只有自己知道。毕业设计是毕业生必须要去做的一件非常重要的事，因为从毕业设计中