UV/Fe3+/H2O2体系降解结晶紫染料废水的研究

论文作者：龙明策 林金清 吴宝林 王双树

摘要：研究了阳离子染料结晶紫在UV/Fe3+/H2O2体系下的均相降解，考察了pH值、H2O2和Fe3+用量等条件对脱色率与COD去除率的影响。结果表明紫外光能大大提高染料的脱色速度和矿化程度，当pH=2.70，H2O2=10mM，Fe3+=0.5mM时80min脱色率大于99%，COD去除率大于70%，且分次投加H2O2能提高矿化程度。对反应20min后水样的紫外-可见吸收光谱和BOD5/COD值的分析表明水样可生化性大大提高。

关键词：Photo-Fenton 过氧化氢 染料废水 结晶紫

近年来利用羟基自由基处理难降解有机废水的高级氧化技术(Advanced Oxidation Technologies, AOT)受到普遍关注[1]。光Fenton氧化法能有效地产生·OH，而且操作简单、成本低廉，故研究与应用颇多[2-3]。但该体系中催化分解H2O2需要大量的Fe2+，反应后由于升高pH值会产生大量铁泥沉淀，造成二次污染[4]，而且局部高浓度的Fe2+消耗H2O2，又会降低有机物的矿化程度[5]。UV/Fe3+/H2O2构成的类Fenton体系，由于可以利用较低浓度的Fe3+催化H2O2分解而更受欢迎[4]，而且自然环境中存在Fe3+/H2O2体系，对其研究也具有一定科学意义[6]。

染料废水是公认的较难处理的工业废水之一[7]。特别是含阳离子型难生化降解的染料废水，本身对微生物产生毒害作用，而采用混凝处理效果也不理想，故多采用Fenton氧化等高级氧化技术处理或预处理。本文研究了含阳离子染料结晶紫的废水在UV/Fe3+/H2O2体系下的降解规律，为实际染料废水的处理提供依据。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

硫酸铁、H2O2(30%)、结晶紫(CV)等均为AR级；20W紫外灯（上海仁和照明），400W金属卤灯（广东欧陆照明），756P紫外可见分光光度计（上海光谱），COD消解器+DR-890比色计（美国HACH），868型pH计(美国ORION）。

1.2 实验方法

将一定体积一定浓度的结晶紫模拟水样置于浅池反应容器中，加入Fe2(SO4)3，用H2SO4或NaOH调节pH值，加入H2O2，迅速混匀，在光源照射或暗处恒温搅拌反应。经一定时间取样，加入中止剂，测定剩余的结晶紫浓度和COD。

1.3 分析方法

铁的测定：邻二氮菲吸光光度法；H2O2的测定：钛溶液吸光光度法；结晶紫：583nm测定吸光度；COD：密封法，按文献[8]排除H2O2的干扰。

脱色率=(C0-C)/C0；其中C0—反应前结晶紫浓度；C—反应一定时间的结晶紫浓度。理论H2O2用量的计算方法见文献[3]。

2 试验结果及讨论

2.1 结晶紫在不同条件下的降解

a：紫外光；b：Fe3+＝0.5mM, 紫外光；c：H2O2=10mM, 紫外光；d：Fe3+＝0.5mM, H2O2=10mM, 暗反应；e：Fe3+＝0.5mM, H2O2=10mM, 紫外光；f：Fe3+＝0.5mM, H2O2=10mM, 模拟可见光；

其它条件：pH=2.72, 初始结晶紫浓度CV0=105.9mg/L, COD0=158.3mg/L, T=15℃

图1 不同条件下结晶紫的降解

图1是结晶紫在不同条件下的降解规律，表1是对应图1中a-e条件下结晶紫降解80min后剩余的COD。由图可知结晶紫在紫外光下比较稳定(曲线a)，而Fe3+的存在能部分破坏染料分子的共轭结构而脱色，80min脱色率大于40%(曲线b)，这是因为Fe(Ⅲ)的羟基络合物光解产生高活性的·OH(反应式1)，同时还存在染料本身的敏化作用[9](反应式2-4)，但是反应的总量子产率不高，而且缺少Fe(Ⅲ)再生的机制，因此脱色效率不高，也不能彻底降解染料(COD几乎不变)。UV/H2O2体系能使结晶紫较快地脱色(曲线c)，这是因为H2O2的光解会产生·OH(反应式5)，但是由于·OH容易复合失活，导致降解速度和矿化效率不高，80min后剩余的COD变大，这是因为生成的大量小分子中间产物不能进一步完全矿化，致使水样COD增高，文献[10]观察到类似现象。

表1 图1各条件下降解80min的剩余COD

实验条件以进一步采用好氧生化技术处理。因此对于高浓度的有机染料废水，可以采用Fenton氧化-生化降解的组合工艺，以降低运行成本。

1：处理前；2：氧化20min后

图5 结晶紫废水氧化前后的紫外-可见光谱

表4 氧化前后水样的可生化性

水样