铁炭法去除地下水中2,4—二氯酚的试验研究

2011-10-20河南省环境保护科学研究院

河南科技 2011年8期

河南省环境保护科学研究院丁娜王哲周杰

河南省环境保护科学研究院丁娜王哲周杰

氯代酚类有机污染物是一种环境激素，被国家列为地下水中重点控制的污染物之一。长期饮用被氯酚污染的地下水，会引起头晕、贫血、失眠等病症。但是，由于氯酚类结构稳定且毒性较强，不适宜直接用生物法处理，而采用生化、化学处理工艺普遍存在降解周期长、效率低、费用高等缺点，在我国没有得到普遍应用。铁炭法是近30年发展起来的一种降解地下水中的2，4-二氯酚的电化学处理工艺，具有低能耗、清洁、高效等优点。

本文，笔者选取2，4-二氯酚为目标物质，通过批处理试验来研究铁炭混合填料对地下水中2，4-二氯酚在各种影响因素下的去除效果，确定最佳反应条件，为地下水中氯酚类污染物的有效去除和地下水修复提供理论基础和科学依据。

一、材料和方法

1.试验材料。铁屑：取自郑州市某废品收购站，形状不规则，实验前用0.1mol/L的盐酸浸洗3次，以去除铁屑表面的杂质、油污及氧化膜，最后用去离子水冲洗至中性，快速烘干，过50目筛备用。活性炭：经碾细过50目筛后备用。2，4-二氯酚：化学纯，广州伟伯化工有限公司，规格为99%。试验用水为自制去离子水。

2.分析方法。2，4-二氯酚的测定采用紫外分光光度法。

3.试验方法。首先，通过向8个洗净烘干的100mL的锥形瓶中，分别投加铁炭质量比为1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，6∶1，7∶1，8∶1的铁炭混合物5g和含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，确定最佳铁炭比。其次，在最佳铁炭比的环境中通过4个单因素试验确定pH值、温度、反应时间、初始2，4-二氯酚浓度的变化对2，4-二氯酚去除效果的影响。

二、试验结果和分析

1.最佳铁炭比的选择。试验将玻璃塞封口后的锥形瓶置于振荡器中，在20±0.3℃，110±3r/min环境下，连续振荡24h，用0.45 μm滤膜过滤，吸取适量滤液测定2，4-二氯酚的含量。不同铁炭比对2，4-二氯酚的处理效果如图1所示。由图1可以看出，当铁炭比为2∶1时，铁炭混合填料对2，4-二氯酚的去除效果最好。原因是当铁炭质量比小于2时，由于微电池作阳极的Fe被较多的C包裹，减少了Fe与水溶液的有效接触面积，不利于氧化腐蚀反应的进行，导致阴极还原脱氯反应速率减慢，脱氯效率较低。当铁炭质量比大于2时，脱氯效率呈下降趋势，这是因为铁和炭的含量不匹配，微电池对数明显减少所致。因此，铁炭质量比为2∶1时可以作为试验中原电池的最佳铁炭比。

2.pH值对2，4-二氯酚去除效果的影响。在10个洗净烘干的100mL的锥形瓶中，分别投加铁炭比2∶1的混合物5g，在不同pH值（3.0～12.0）条件下，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，将上述锥形瓶置于振荡器中，在20±0.3℃，110±3r/min环境下，连续振荡24h，用0.45μm滤膜过滤，吸取适量滤液测定2，4-二氯酚的含量，分析pH的变化对2，4-二氯酚去除效果的影响。不同pH值条件下铁炭混合填料对2，4-二氯酚的处理效果如图2所示。

由图2可以看出，随着pH值的增加，2，4-二氯酚的去除率逐渐降低，这说明偏酸性环境（pH3～5）对2，4-二氯酚的还原能力比中性和偏碱性的要好，是由于在酸性条件下高[H+]环境使脱氯反应易于发生。在pH值逐渐升高到7.0过程中，由于[H+]浓度逐渐降低使得铁腐蚀反应产生的铁离子转化为氢氧化铁沉淀附着在金属表面，从而阻止了脱氯反应的进行。当pH值在7.0～10.0之间时，脱氯效率波动较大，原因是在碱性环境中部分[OH-]被还原使得水环境中溶解氧的增加导致pH值逐渐降低所致。

3.温度对2，4-二氯酚去除效果的影响。试验在3个洗净烘干的100mL的锥形瓶中，分别投加铁炭混合物5g，于不同温度（10℃，20℃，30℃）条件下，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，将上述锥形瓶置于振荡器中，在110±3r/ min环境下，连续振荡24h，用0.45μm滤膜过滤，吸取适量滤液测定其中2，4-二氯酚的含量，分析温度变化对2，4-二氯酚去除效果的影响。

不同反应温度下铁炭混合填料对2，4-二氯酚的处理效果如图3所示。图3表明，铁炭混合填料对2，4-二氯酚的去除效果随反应温度的升高而升高，并最终趋于稳定。原因可能是在温度较低时，2，4-二氯酚的去除主要依靠活性炭的吸附作用来完成，而活性炭对2，4-二氯酚的吸附过程是一个放热过程，所以温度越低越有利于活性炭对2，4-二氯酚的吸附。在温度升高到20℃过程中，铁炭组合填料对2，4-二氯酚的去除率明显升高，在这个过程中活性炭对2，4-二氯酚的去除能力减弱，而铁屑对2，4-二氯酚的去除能力增强，这可以由阿累尼乌斯方程K=Ko（-E/ RT）解释，即温度升高，反应速度加快，对2，4-二氯酚的去除效果有所提高；当温度继续升高时，可以看出温度的变化对反应影响不大。这是因为有机物反应涉及C-Cl键的断裂，而2，4-二氯酚的C-Cl键键能一般较高，即断键所需的活化能较高，在较低温度范围条件下，温度的上升对反应影响不大。

4.反应时间对2，4-二氯酚去除效果的影响。在12个洗净烘干的100mL的锥形瓶中，分别投加铁炭混合物5g，加入含有50mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，将上述锥形瓶置于振荡器中，在20±0.3℃，110±3r/min环境下，连续振荡，分别在1～12h时取出一个样，用0.45μm滤膜过滤，吸取适量滤液测定其中2，4-二氯酚的含量，做一个动态反应等温线。结果表明，铁炭填料对2，4-二氯酚的去除率在前4h内迅速上升，其后去除率提高缓慢。在前4h内，铁炭混合填料对2，4-二氯酚的去除率达到90%左右。原因是在开始阶段，铁炭填料对2，4-二氯酚的去除起主要作用的是活性炭的吸附，而活性炭对2，4-二氯酚的吸附迅速，所以2，4-二氯酚的浓度迅速降低。而随着反应时间的增加，至7h后，铁炭微电解作用逐渐占主导地位，2，4-二氯酚的去除率趋于平缓。因此，选择最佳停留时间为7h。

5.初始2，4-二氯酚浓度对去除效果的影响。在6个洗净烘干的100mL的锥形瓶中，分别投加铁炭质量比为2∶1的铁炭混合物5g，分别均加入浓度为0mg/L，10mg/L，20mg/L，40mg/L，60mg/ L，100mg/L的2，4-二氯酚溶液50mL，用玻璃塞封口，将上述锥形瓶置于振荡器中，在20±0.3℃，110±3r/min环境下，连续振荡24h，用0.45μm滤膜过滤，吸取适量滤液测定2，4-二氯酚的含量，分析初始2，4-二氯酚浓度对去除效果的影响。结果表明，在低初始2，4-二氯酚浓度时，2，4-二氯酚被还原脱氯的机会少，去除率也较低。随着初始2，4-二氯酚浓度的增高，铁炭填料对2，4-二氯酚的去除率逐渐升高。当初始2，4-二氯酚浓度大于40mg/L时，铁炭填料对2，4-二氯酚的去除率逐渐降低，这是因为当初始2，4-二氯酚浓度较高时，铁炭填料构成的微电池数量有限，铁炭填料不能把水中所有的2，4-二氯酚分子降解掉，去除率较低。因此，初始2，4-二氯酚浓度为40mg/L时，铁炭填料对2，4-二氯酚的去除率最高，能够达到92.6%左右。