微污染水的光催化降解处理技术研究

陈翊鲲， 卢 平， 倪晓丹

(华南师范大学化学与环境学院，广东广州 510631)

微污染水的光催化降解处理技术研究

陈翊鲲， 卢 平*， 倪晓丹

(华南师范大学化学与环境学院，广东广州 510631)

以珠江官洲河段的水样为研究对象，采用Fenton法和UV-Fenton法对水样中有机微污染的降解效果进行研究.结果表明，在室温条件下，Fenton法和UV-Fenton法对微污染水样均具有较好的降解能力，60 min内TOC降解效率分别超过40%和80%，确定了Fenton试剂H2O2和FeSO4的最佳投加量分别为90 mmol/L和0.4 mmol/L，而UV-Fenton最佳照射时间为30 min.

微污染； 珠江河水； Fenton法； 光催化

国内外的研究和实际应用效果表明常规的水处理技术对受污染水样中有机物的去除率仅为20%～30%[1-2].面对日益严重的环境污染问题，常规的水处理技术显然已经不能满足人们的用水安全要求.Fenton法作为其中一种高级氧化技术(Advanced Oxidation Process, AOPs)，能够有效地去除有机污染物.本文目的在于通过研究Fenton法解决常规水处理技术对水样中有机物的去除率不足这一问题.试验以广州珠江官洲河段水样作为对象，以TOC作为主要的评价指标，研究Fenton和UV-Fenton体系对水样中有机污染的降解效果，使处理后的水样达到饮用水水质的要求，为微污染水的处理提供简单、适用的方法[3-7].

1 材料与方法

1.1水样来源

本试验取用广州珠江官洲河段水样作为研究对象,水样的水质指标如表1所示.

表1 珠江官洲河段水样水质 mg/L

从表1可以看出，官洲河河水的指标在Ⅲ～Ⅴ类，而官洲河段的水质功能区划为Ⅳ类水，河水中的污染物主要为有机污染物.

1.2试验仪器及方法

1.2.1 主要试剂与仪器 FeSO4和H2O2以及其他试剂均为分析纯试剂，使用时FeSO4溶液配成浓度为0.10 mol/L并用稀H2SO4酸化，所有试剂在4 ℃下储存，最长储存期为1周.

TOC分析仪(型号：TOC-VCPH SHIMADZU Corporation)，光催化氧化反应器，40 W紫外光发生器，特征波长284 nm.

1.2.2 试验方法

(1)Fenton试剂的最佳投加量研究：取1 L水样，用稀H2SO4将pH值调节至3，置于光催化氧化反应器中，按一定投加量梯度加入FeSO4和体积分数为30%的H2O2(下同)进行Fenton反应，反应60 min后取样测定其中的TOC去除率.

(2)UV-Fenton法的最佳照射时间研究：取1 L水样，用稀H2SO4将pH值调节至3，置于光催化氧化反应器中，在Fenton试剂最佳投加量条件下，进行UV-Fenton反应，按一定时间间隔取样测定其中的TOC去除率，反应时间除特别说明外均为60 min.

2 结果与分析

2.1FeSO4的催化效果以及最佳投加量的确定

采用相同的H2O2投加量梯度，进行有无催化剂FeSO4(2.0 mL/L)存在下的H2O2降解实验，测定结果如图1所示.在采用相同的H2O2投加量(4.0 mL/L)条件下进行催化剂FeSO4按一定投加量梯度的降解试验，测定结果如图2所示.

图1 FeSO4催化效果Fig.1 FeSO4 catalysis effect

图2 FeSO4最佳投加量Fig.2 Optimal dosage of FeSO4

从图1可以看出，水样在催化剂FeSO4存在的条件下进行的H2O2降解能力明显要比没有催化剂条件下的H2O2要好得多，由此可以确定，在水样中，FeSO4对H2O2降解能力起到很好的催化作用.

另外在催化剂存在的条件下，当H2O2投加量超过10.0 mL/L后，降解效率提升不明显，并趋向于平稳状态.H2O2投加量在10.0 mL/L时的TOC去除率可达到29%左右，不存在催化剂的TOC去除率只有9%.

从图2中可以看出，随着FeSO4投加量的增大，TOC的去除效率逐渐提高，当催化剂FeSO4投加量大于4.0 ml/L后，降解效率接近最高，并趋向于稳定状态，TOC去除率停留在43%左右.基于经济可行性角度考虑，我们可以确定，Fenton试剂中催化剂FeSO4的最佳投加量为4.0 mL/L.

2.2H2O2最佳投加量的确定

使用催化剂FeSO4的最佳投加量(4.0 mL/L)，在室温条件下H2O2按一定投加量梯度进行Fenton反应降解试验，确定H2O2的最佳投加量,试验结果如图3所示.

图3 H2O2最佳使用量Fig.3 Optimal dosage of H2O2

从图3中可以看到，水样在FeSO4催化剂最佳投加量条件下，随着H2O2投加量的增大，水样的TOC去除率逐渐增大，而大于10.0 mL/L后，水样的降解效率提升不明显，TOC去除率停留在40%～45%之间，从经济可行性分析角度分析考虑，可以确定H2O2的投加量为10.0 mL/L.

2.3光催化条件下H2O2降解试验

水样在H2O2溶液最佳投加量(10.0 mL/L)条件下进行60 min的紫外光催化试验，并按一定的时间间隔采样，确定紫外光的催化效果，试验结果如图4所示.

图4 光催化H2O2降解

从图4中可以看出，随着紫外光照射时间的推移，水样中总有机碳去除率不断增大，而且在紫外光条件存在条件下，水样的最终降解效果TOC去除率超过60%，明显要高于单独使用H2O2的水样降解效果(TOC去除率9%).因此可以得出，紫外光照射在H2O2对环境水样的降解效果有催化促进作用.

另外从图4的曲线中也可以观察到，当紫外光照射时间超过50 min后，水样中的总有机碳去除率变化不大，降解效果也开始不明显.因此从测定结果可以推测，紫外光照射对H2O2对水样降解的促进作用存在一个维持高降解效率的照射时间段.

2.4UV-Fenton反应

为了解2种催化条件共同作用下对H2O2降解能力的影响程度，进行UV-Fenton光催化氧化的试验，反应时间为120 min,采样间隔为20 min，试验结果如图5所示.

图5 UV-Fenton反应Fig.5 UV-Fenton reaction

试验结果表明，水样的总有机碳去除率，随着试验时间的延长.而且在2种催化条件(紫外光/FeSO4)存在的叠加条件下，H2O2的降解效果，要明显高于单独使用任何一种催化条件的H2O2降解效果.由此可知，2种催化条件的共同作用可以大大提高H2O2的降解效果，水样在经过降解处理120 min后，总有机碳去除率超过90%.

从图5的曲线中也可以观察到，当反应时间超过20 min后，水样中的总有机碳的去除率已经接近80%，随着反应时间的延长，在之后的100 min内的总有机碳去除率只提高了10%，降解效率提升不明显.而与试验2.3(紫外光条件存在下进行H2O2降解试验)的维持高降解效率的前40～50 min相比较，时间提前了20～30 min，缩短了降解时间，提高了降解效率.

2.5降解效率对比结果与讨论

2.5.1 催化降解效率比较 进行一个单独依靠H2O2(10.0 mL/L)的氧化降解水样试验，反应时间为60 min.测定结果与Fenton反应(FeSO44.0 mL/L, H2O210.0 mL/L)降解效果和紫外光照射下的H2O2(10.0 mL/L)光催化降解效果结果进行对比，效率对比如图6所示.

图6 催化降解效率比较Fig.6 Catalysis effect comparison

从对比结果曲线图中可以看出，任何一种催化条件(紫外光/FeSO4)下H2O2的降解效果，要明显高于单独使用H2O2对水样进行降解的降解效果.

而且对于河水水样的降解效率来说，紫外光条件下的TOC去除率最终达到超过60%，而FeSO4催化作用TOC去除率只超过40%.因此，紫外光的光催化作用会比FeSO4的化学催化作用要大.

从对比结果的曲线中还可以观察到：比较单独依靠H2O2氧化的降解试验曲线和FeSO4存在条件下H2O2化学催化的降解试验曲线，2组曲线均没有明显的最佳反应时间，也就是说，2种条件下的降解试验无法确定一个最高效率的反应时间.

2.5.2 催化条件叠加降解效率对比 为了解2种催化条件共同作用，对H2O2降解过程以及效果的影响，进行了最佳催化条件的叠加试验，反应时间为60 min，并与催化降解效率对比(均在最佳投加量条件下)中的试验结果作对比，结果如图7所示.

图7 催化叠加降解效率对比Fig.7 Catalysis effect comparison

从4组试验的降解效果对比曲线图(图7)中可以得知：2种催化条件的累加(紫外光和FeSO4)对水样的降解有很大的促进作用, 前40 min的TOC去除率达到85%左右，比单独使用1种催化条件的降解效果有很大的提高.2种催化条件叠加的情况下，水样的总有机碳质量浓度在40 min内已经下降到1.358 mg/L，在60 min的降解过程中，环境水样的总有机碳质量浓度可以降低至0.932 mg/L.可见，紫外光加上Fenton试剂的光催化氧化降解效果比较理想，也可以达到降解、消除环境水样中中低浓度有机污染物，保障人们用水安全的要求.

从Fenton试剂的光催化降解试验的曲线可以看到，在降解过程中的前30 min内基本上完成了水样中80%的有机污染物降解过程(30 min的总有机碳去除率为77%，60 min的总有机碳去除率为83%).由此可以确定在紫外光加上Fenton试剂的条件下，水样的紫外光照射时间存在一个最高效率的照射时间，该照射时间在30 min左右.

3 结论

论文以珠江官洲河段水样作为研究对象，研究Fenton反应和UV-Fenton反应对河水中污染物的催化降解作用.

试验结果显示，Fe2+与紫外光均对H2O2氧化降解环境水样中的有机微污染物均有一定程度的催化作用.其中以紫外光的催化作用更为明显，但单独使用2种催化条件均无法达到最理想的降解效果.

经过以上的试验，可以确定Fenton反应和UV-Fenton反应对环境水样中的有机微污染物降解均可达到比较理想的效果.通过试验确定，Fenton反应中，H2O2的最佳投加量为10.0 mL/L,FeSO4的最佳投加量为4.0 mL/L，按所配制的溶液浓度折算后，H2O2的最佳投加量为90 mmol/L,FeSO4的最佳投加量为0.4 mmol/L.而UV-Fenton反应在Fenton试剂最佳投加量条件下紫外光的最高效率照射时间为30 min.

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Keywords： micro-pollutants； the Pearl River； fenton； photocatalysis

【责任编辑 成 文】

PHOTOCATALYSISDEGRADATIONOFMICROPOLLUTANTSINAQUATICSYSTEMS

CHEN Yikun， LU Ping*， NI Xiaodan

(School of Chemistry and Environment， South China Normal University， Guangzhou 510631， China)

The study is based on the photocatalysis oxidation in Aquatic Systems. The Fenton and Photo-Fenton were applied in order to degrade the micro-pollutants in the Pearl River raw water. The following conclusions were obtained: both Fenton and Photo-Fenton had effect on the degradation of the environmental micro-pollutants; the TOC removal rate of Fenton and Photo-Fenton were over 40% and 80% respectively, and the Photo-Fenton had higher efficiency obviously. The optimal conditions of degradation of the environmental micro-pollutants by Photo-Fenton were found: The optimal dosage of H2O2and FeSO4were 90 mmol/L and 0.4mmol/L respectively, and the optimal irradiation time of Photo-Fenton was 30 min.

2008-12-14

陈翊鲲(1984—)，男，广东广州人，华南师范大学2007级硕士研究生，Email: tac46@163.com；卢平(1966—)，女，瑶族，广西巴马人，华南师范大学副教授，主要研究方向：水污染控制工程及环境分析，Email：luping@scnu.edu.cn.

*通讯作者

1000-5463(2010)01-0078-04

X522

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