【Fenton法处理甲基橙废水实验探究（论文）】

Fenton法处理甲基橙废水实验探究目录TOC\o"1-2"\h\u7579引言 137131实验部分 273291.1实验药品、仪器与设备 2321851.2实验原理 3282181.3配制溶液 4324601.4实验方法 437151.5分析方法 492222分析与讨论 5150322.1甲基橙溶液最大吸收波长的确定 5167412.2甲基橙浓度与吸光度的关系 671052.3甲基橙降解的最佳反应时间 6210643单因素影响 844803.1过氧化氢浓度对甲基橙降解的影响 8226063.2不同Fe2+浓度对甲基橙降解的影响 1013913.3溶液初始pH对甲基橙降解的影响 1132273.4反应温度都甲基橙降解率的影响 12209574结论 137804参考文献 14摘要：关键词：甲基橙；有机物；废水引言的降解一直是工业界的一个难题[]。采用传统的方法，比如，生化处理、混凝处理[]、吸附处理[]、膜处理等技术难以有效去除有机物废水，可能还会导致额外的污染[]。甲基橙作为一种特殊的染料废水有机物，因其本身具有特殊的结构，所以本身具有特殊的物理化学性质。比如说本身具有比较强的化学稳定性，所以甲基橙会在户外存在比较长的时间，而且也有多数有机物所具有的毒性，要想使其去除会有比较大的难度[]。本章采用Fenton法处理甲基橙废水，探究不同条件下处理甲基橙废水最佳反应条件，对处理其他废水具有一定的借鉴意1实验部分1.1实验药品、仪器与设备本实验使用的实验药品、仪器设备如表1、表2所示。1.1.1实验药品表1实验中使用的化学试剂及生产厂家试剂名称分子式生产厂家双氧水（30%）H2O2振企化工有限公司甲基橙（分析纯）C14H14N3NaO3S致远化学有限公司硫酸（分析纯）H2SO4上海化学有限公司盐酸（分析纯）HCl上海化学有限公司氢氧化钠（分析纯）NaOH神龙化工股份有限公司蒸馏水（分析纯）H2O宿州学院生化实验室七水硫酸亚铁（分析纯）FeSO4·7H2O国药集团1.1.2仪器设备表2实验中使用的仪器与设备及生产厂家设备型号生产厂家分光光度计UVS-722N日立高新技术公司紫外分析仪UV-2450尼高力公司电子天平FA1104B越平科学仪器有限公司磁力搅拌器DF-Ⅱ杰瑞尔电气有限公司离心机JW-3021H温州仪器装备有限公司酸度计pHS-25世纪方舟科技有限公司1.2实验原理由Fe2+和H2O2共同制备而成的一种标准Fenton试剂混合物体系溶液,其实主要是由于处于酸性状态下(pH=2-5)和H2O2和Fe2+,在共同的作用下会形成羟基自由基,其在一定的条件下也就具有很高的抗氧化性[]。羟基自由基能够把绝大多数难以被降解的有机物进行快速分解和矿化,尤其是对哪些含有微生物有机废水的有机物和哪些普通的氧化剂难以氧化的的物质使其具有较高的氧化强度和非常好的有效的分解率,这样的处理效果使其对有机物的降解赋予新的含义，让我们对处理有机物废水的处理方法给予了新的研究，这种处理废水的反应机理大致为为[]：

(1)Fe2++H2O2→Fe3++OH+·OH

(2)Fe3++H2O2→Fe2++HO2·+H+

(3)Fe2++·OH→Fe3++OH-

(4)Fe3++HO2·→Fe2++O2+H+

(5)·OH+H2O2→H2O+HO2·

(6)Fe2++HO2·→Fe3++HO2由于经过上述比较复杂的机理反应最后所产生成的羟基自由基其本身所具有电负性其本事其是比较高的，由于上述复杂的链式反应所产生的羟基自由基其本身所自带的氧化电位大致为(3.1V),这样其所带的氧化电位就比不上氟所产生的氧化电位(3.32V)，但是其氧化电位略大于臭氧的(3.04V),而大于二氧化氯的氧化电位(2.6V)[]。由于上述反应可以去除污染的有机物，具体原因是因为其本身C-C键的氢原子被不饱和C-C键填充，有不同的反应方法，并且各种污染染料的分子结构都会导致碳链断裂，进而产生迅速的降解,这样方式的降解机理大致为:

(7)RH++·OH→R·+H2OR·+O2→R0O·

(9)R·+Fe3+→R+Fe2+

(10)RO·+·OH+O2→CO2+H2O

由于整个反应溶液体系呈现为比较复杂的态势，在反应中我们只能是依靠至关重要的二价铁离子在反应中取得的催化效应，这是在整个反应体系中是极其重要的，尤其H2O2是氧化剂的作用，只要铁离子存在，那么反应就会持续地进行下去，知道其反应完全为止。就会产生大分子被氧化成小分子，即是大分子有机物被氧化成无机物小分子，比如说小分子H2O、CO2等[]。从反应式我们可以知道,如果我们适当增加Fe2+和H2O2的浓度，这样将会有利于有机污染物的分解，这样将会提高染料有机物的降解效率。但从式(3)和式(5)可知,过氧化氢和二价铁离子的过量将会阻碍羟基自由基的的产生[]。1.3配制溶液用天平称50mg的甲基橙粉末，然后放入1000mL的容量瓶中。加入蒸馏水后稀释到刻度线，然后振荡摇匀一段时间，会得到橙色的甲基橙溶液。设置必定浓度的酸性溶液，使其插入必然体积的甲基橙溶液后，可以精确的调pH值，以便在尝试中可以精确的控制变量。1.4实验方法向烧杯中加入一定量的甲基橙溶液，然后加入缓冲溶液调节其pH值，其次加入一定量的七水硫酸亚铁，然后将烧杯放入恒温磁力搅拌器中，随后向溶液中加入30%的过氧化氢溶液，并不断混合摇匀，每隔一段时间后取液，然后用分光光度计测其吸光度值，计算其降解率。1.5分析方法本实验采用紫外分光光度计来进行甲基橙浓度的测定，通过对甲基橙溶液特定区间的全程扫描，即在277-800nm区间的可见光区的测定，确定了在500nm处，甲基橙溶液具有最大吸光度值。所以在后面测甲基橙溶液时必须保持可见光的波长固定在500nm不变。在分析不同甲基橙浓度是否符合朗伯比尔定律时，必须保持所有的甲基橙溶液必须在同一pH下进行，因为甲基橙溶液是酸性指示剂，所以如果同一浓度在不同pH下，测得的吸光度值也不相同，所以测得同一浓度的甲基橙溶液的吸光度值，必须保持在同一pH下进行。在实际的计算中，只需知道测定前后的可见光的吸光度值，就可以测得我们所需的甲基橙的降解率，在测得变量对甲基橙降解率的影响中，根据反应前后样品的吸光度变化求得降解率。计算公式为:降解率=(A0-A)/A0×100%式中，A0、A分别为反应前后吸光度值[]。在测定甲基橙降解的最佳反应时间，应该准确的把握各种因素之间的平衡，即配置固定浓度的甲基橙溶液，然后控制可见光波长为500nm处，然后加入的烧杯，中然后每隔一段时间测其吸光度，找出最大吸光度对应的时间。在测定甲基橙降解的最佳反应温度时，应保持其他变量稳定，通过测定一系列温度下甲基橙降解的吸光度，找出甲基橙的最佳反应温度。2分析与讨论2.1甲基橙溶液最大吸收波长的确定图1甲基橙溶液最大吸收波长的确定取一个100mL的烧杯，然后从1000mL容量瓶中用移液管向烧杯里参加50mL的甲基橙溶液，随后向其加入少许酸性缓冲液，使其溶液的pH维持为3.0，然后用吸管吸入少许溶液加入光栅中，使其作为测量夜。用pH=3.0的蒸馏水作为标液，使其共同放入紫外分光光度计中。已知甲基橙溶液的最大吸收波长区域在460-550nm之间，然后用紫外分光光度计从277nm开始每个1nm测下甲基橙溶液的吸光度值直至800nm，如图1，甲基橙溶液在接近300左右会出现一个峰，此峰应为苯环的吸收峰。经测得酸性甲基橙的最大吸光度为500nm时,此为甲基橙的特性吸收峰，这时候酸性甲基橙对应最大吸光度值。所以随后在测得甲基橙溶液的吸光度时，必须维持波长为500nm[]。2.2甲基橙浓度与吸光度的关系为了验证甲基橙溶液浓度对应的吸光度值是否有效符合朗比尔定律，保证本次实验的严谨性，本实验对不同甲基橙溶液对应的吸光度值是否具有线性关系进行了探究。y=0.01985×y=0.01985×+0.8304R2=0.9989图2甲基橙浓度与吸光度的关系分别配置10、20、30、40、50、60mol/L的甲基橙溶液，然后调节酸碱度使其pH为3.0，使pH=3.0的标液与上述溶液依次加入分光光度计中测得吸光度值。如图2，测得甲基橙溶液与吸光度之间较好符合线性关系，其线性方程为y=0.01985×+0.01985,线性相关系数为R2=0.9989。由图可知，甲基橙溶液浓度对应的吸光度值有效切合朗比尔定律。2.3甲基橙降解的最佳反应时间本实验还尤其探究了甲基橙溶液降解水平与时间的关系，确定甲基橙水溶液降解的最佳检测时间。取50ml/L的甲基橙溶液放入100mL烧杯中，然后调节溶液pH=3.0,用分光光度计测其初始吸光度值，随后加入50mg的七水硫酸亚铁，搅拌3min后，使其充分溶解，随后加入0.3mL30%的过氧化氢溶液，随后立刻开启搅拌，反应起头，同时节制温度为30摄氏度，随后每隔一分钟取样测其吸光度。如图3所示，当反应时间为5min时，甲基橙水溶液的降解率最大，当反应时间大于5min时，可以发现，溶液会产生浑浊现象，且随着反应时间的延长，浑浊现象会加剧，已知是二价铁离子被氧化为三价铁离子后，产生的氢氧化铁沉淀。图3甲基橙降解程度与时间的关系3单因素影响3.1过氧化氢浓度对甲基橙降解的影响在探究过氧化氢的含量在影响甲基橙废水降解率的实验中，必须选定一组初始变量，以pH为3.0、浓度为50mL的甲基橙溶液、0.3mL的30%的过氧化氢溶夜、50mg的的硫酸亚铁、反应温度为30℃为基准，采用控制变量法，通过改变过氧化氢的体积，找出降解甲基橙溶液的最佳过氧化氢体积。图4过氧化氢体积对甲基橙降解率的影响实验选取一组体积分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mL的过氧化氢溶液。实验开始前取5个100mL的烧杯，分别想其加入50ml/L的甲基橙溶液，然后用缓冲液调节pH,控制pH为3.0，然后测出其共同初始吸光度，然后立即分别向5个烧杯加入50mg的七水硫酸亚铁，随后搅拌上述溶液，使其固体颗粒溶解在甲基橙溶液中，,随后分别向其加入0.1-0.5mL的过氧化氢溶液，控制反应温度为30℃，并同时搅拌，待反应进行5min后，然后分别抽样放入分光光度计进行测量，由图4可表明，当加入0.2mL质量分数30%的过氧化氢溶液，甲基橙废水的降解率最高，降解率可到达99.83%，随后随着过氧化氢体积的增加，甲基橙废水的降解率会呈现降低的趋势，因此过多的过氧化氢的投入会抑制甲基橙废水的降解。3.2不同Fe2+浓度对甲基橙降解的影响在探究铁离子质量对甲基橙废水降解率的影响时，也需要保持控制变量法，同样要保持上述的基准条件。取6个100mL的烧杯，加入50ml/L的甲基橙溶液，保持上述溶液pH为3.0，然后分别向上述溶液中加入20、30、40、50、60、70mg的七水硫酸亚铁固体颗粒，同样搅拌使固体颗粒充分溶解，随后分别向上述烧杯中加入0.3mL30%的过氧化氢溶液，控制反应温度为30℃，搅拌5min中后，分别测其吸光度。图5铁离子质量对甲基橙去除率的影响由图5所示，当七水硫酸亚铁的质量为40mg时，甲基橙废水的去除率最高。铁离子的量过高过低都会影响甲基橙废水的去除率，当铁离子量过高时或过少时，经过链式反应产生的羟基的数量都会减少，导致芬顿反应放缓[]。因此在在用芬顿试剂处理甲基橙废水时，应该合理控制二价铁离子的量，使处理甲基橙废水的降解达到最高。3.3溶液初始pH对甲基橙降解的影响在探究甲基橙废水的降解率是否受其酸碱度性影响时，这是本次实验最难操作的部分，因为甲基橙溶液为酸碱指示剂，其本身的颜色会受pH的影响而不同，所以用分光光度计测出同一浓度不同pH的甲基橙废水的吸光度也不同，所以本实验所得出不同pH初始吸光也会由很大的差距，所以本实验所得出甲基橙废水的去除率可能一定的偏差，但是也具有一定的代表性。取6个100mL的烧杯，向其各加入50ml/L的甲基橙溶液，接着配置不同酸碱缓冲液，使加入少量就能使6个烧杯中甲基橙废水依次呈现从1-6的pH值，放入分光光度计测其初始吸光度值，然后接着依次加入50mg的七水硫酸亚铁粉末，充分搅拌下使其固体充分溶解，随后加入0.3mL的过氧化氢溶液，恒温30℃搅拌5min钟后，测其吸光度。图6pH值对甲基橙降解率的影响如图6所示，当pH=3.0时，甲基橙废水的分解率最高，其次为pH=2.0、3.0，当pH=4.0、5.0、6.0，降解的降解率呈现快速下降的趋势，并且甲基橙溶液的颜色变化不大，所以推断甲基橙废水的降解在酸性范围最高，随着pH的增大，铁离子会呈现沉淀状，不利于链式反应的进行，产生的羟基量会减少，芬顿反应会进行非常缓慢。3.4反应温度都甲基橙降解率的影响图7：甲基橙废水降解率与温度的关系在探究甲基橙降解的最大反应温度时，应保持初始其他变量不变，控制温度分别20、30、40、50、60℃，搅拌反应5min钟后，测定各反应温度在甲基橙的吸光度。如图7，当反应温度为40℃时，甲基橙废水的降解率达到最大，说明在一定反应温度内，甲基橙废水的降解率随着温度的增大而增大。推测时随着反应温度的增高，反应所需的羟基自由基会增多，从而增大芬顿反应速率[]。但是超出一定温度后，温度的增加会导致过氧化氢的分解，芬顿反应速率会降低[]。4结论本文探究了用Fenton法处理甲基橙废水的实验研究，根据实验表明甲基橙溶液在500nm处存在最大吸光度，在用芬顿试剂处理甲基橙废水的过程中，当pH=3.0、甲基橙溶液为50ml/L、30%的过氧化氢为0.2mL、七水硫酸亚铁质量为40mg时，反应温度为40℃，反应进行5min后，甲基橙的降解率会达到98%以上。图8降解前后吸光度对比图8是在上述最佳条件下降解前后紫外扫描情况，可以得出芬顿试剂对于甲基橙内的苯环和特征吸收基团具有很好的降解效果。参考文献[1]ShijunHe,WeihuaSun,JianlongWang,LvjunChen,YouxueZhang,JiangYu.Enhancementofbiodegradabilityofrealtextileanddyeingwastewaterbyelectronbeamirradiation[J].RadiationPhysicsandChemistry,2016,124.[2]暴雅娴,华兆哲,李秀芬,邹路易,堵国成,陈坚.Fenton氧化处理甲基橙染料模拟废水的动力学研究[J].水资源保护,2007(02):84-87.[3]周美珍,郭涓,李萍.Fenton试剂氧化处理甲基橙模拟废水的条件研究[J].化学工程与装备,2011(12):195-197.[4]隋智慧,张景彬,宋旭梅.PSF混凝剂对印染废水的处理[J].印染,2006(9):4-6.[5]赵宜江,张艳,嵇鸣,等.印染废水吸附脱色技术的研究进展[J].水处理技术,2000,26(6):315-319.[6]李童.活性炭负载硅酸钙的制备及其对重金属-有机物复合污染物的吸附性能研究[D].湖南科技大学.[7]周鹏.高浓度难生化有机废水的预处理方法[J].能源与环境,2017(06):46-47.[8]