酚類(lèi)物質(zhì)實(shí)際上是一大類(lèi)相似化合物的總稱(chēng)，包括苯酚的取代物、多元酚、氯酚、硝基酚及苯氧基酸等〔1〕。酚類(lèi)物質(zhì)是一類(lèi)重要的基本有機(jī)合成材料，大量應(yīng)用于工業(yè)制造中。與之相關(guān)的如煤氣、焦化、石油、化工、制劑制藥、油漆等行業(yè)均會(huì)排放大量含酚廢水〔2〕。含酚廢水不僅能造成農(nóng)業(yè)和漁業(yè)的損失，若長(zhǎng)期飲用被酚污染的水，還會(huì)危害人體健康。含酚廢水處理技術(shù)的研發(fā)是目前污水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

Fenton試劑是一種通過(guò)Fe2+和H2O2之間的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，催化生成羥基自由基（•OH）的試劑，•OH的氧化還原電位為2.8V，是一種強(qiáng)氧化劑〔3〕。由于•OH具有氧化性強(qiáng)、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其在給水和廢水高級(jí)氧化處理中的研究較多〔4,5,6〕。在動(dòng)力學(xué)的研究中，目前大都以單一有機(jī)物濃度作為測(cè)定對(duì)象，F(xiàn)enton氧化目標(biāo)物質(zhì)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很多中間物質(zhì)，而•OH氧化又沒(méi)有特異性〔7,8,9〕，因此采用COD這種綜合指標(biāo)作為研究對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究具有十分重要的意義，目前未見(jiàn)關(guān)于此類(lèi)研究的報(bào)道。

采用Fenton法處理廢水時(shí)，普遍存在H2O2利用率不高的現(xiàn)象，從而造成H2O2的大量浪費(fèi)，提高了該技術(shù)的應(yīng)用成本并限制了其應(yīng)用范圍。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fenton試劑的投加量不足以氧化掉廢水中所有的COD時(shí)，H2O2的利用率相對(duì)較高，因此分批投加Fenton試劑理論上可有效提高H2O2的利用率，降低其應(yīng)用成本，但目前缺乏關(guān)于分批投加反應(yīng)終點(diǎn)的研究。因此，通過(guò)試驗(yàn)采用幾種典型模擬含酚廢水對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)探討，研究了ORP與COD隨時(shí)間的變化趨勢(shì)及相關(guān)性，分析了ORP作為Fenton試劑分批投加在線(xiàn)控制參數(shù)的可行性，同時(shí)就不同廢水COD氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了對(duì)比研究，其結(jié)果可為下一步進(jìn)行實(shí)際廢水研究提供理論基礎(chǔ)，并為Fenton技術(shù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

研究采用批式試驗(yàn)進(jìn)行，所用裝置為六聯(lián)攪拌機(jī)（MY3000-6J，潛江梅宇儀器有限公司）。試驗(yàn)用水為模擬配水，3種模擬配水的苯酚、間甲酚、鄰甲酚的初始質(zhì)量濃度均為100mg/L。試驗(yàn)所用H2O2為分析純30%H2O2溶液。

1.2試驗(yàn)方法

在3個(gè)燒杯中分別放入配制好的苯酚廢水各1L，將其置于六聯(lián)攪拌機(jī)上，恒定溫度20℃，攪拌轉(zhuǎn)速300r/min。用0.1mol/L的NaOH和H2SO4調(diào)節(jié)水樣初始pH至4，分別加入一定量的FeSO4•7H2O，待攪拌均勻后迅速加入定量的H2O2。試驗(yàn)所用Fenton試劑按n（H2O2）∶n（Fe2+）=15∶1的比例混合，并根據(jù)理論計(jì)算投加去除廢水中50%、100%、200%COD所需H2O2的量〔10〕。以加入H2O2時(shí)刻為t=0時(shí)刻，每分鐘記錄一次ORP值，并在3、10、20、30、45、60min取樣進(jìn)行測(cè)定分析。鄰甲酚和間甲酚廢水試驗(yàn)步驟同苯酚廢水。

試驗(yàn)主要測(cè)定指標(biāo)為COD和ORP。COD采用CTL-12型化學(xué)需氧量速測(cè)儀（承德市華通環(huán)保儀器有限公司）測(cè)定，ORP采用pH/Oxi340i測(cè)定儀（德國(guó)WTW公司）測(cè)定。

2結(jié)果和討論

2.1不同F(xiàn)enton試劑理論投加量的COD處理效果比較

不同F(xiàn)enton試劑投加量下處理3種廢水的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，不同F(xiàn)enton試劑投加量對(duì)3種酚類(lèi)廢水均有一定的處理效果，且Fenton試劑的投加量大小對(duì)處理效果有較大影響，投加量越高，COD去除率越高。在維持n（H2O2）∶n（Fe2+）=15∶1不變的條件下，當(dāng)投加可氧化掉廢水50%COD的H2O2理論投加量時(shí)，苯酚、間甲酚和鄰甲酚廢水中的COD在60min內(nèi)可分別由238.3、251.9、251.9mg/L降到106.3、94.3、125.9mg/L；而當(dāng)投加可氧化掉廢水200%COD的H2O2理論投加量時(shí)，苯酚、間甲酚和鄰甲酚廢水中的COD在60min內(nèi)可分別降低到37.1、22.4、41.4mg/L。研究表明，H2O2是影響Fenton氧化反應(yīng)的主要因素，體系中H2O2作為反應(yīng)中的氧化劑，投加量較小時(shí)，•OH產(chǎn)生的數(shù)量相對(duì)較少；同時(shí)H2O2又是•OH的捕捉劑，H2O2投加過(guò)量時(shí)會(huì)捕捉新生成的•OH從而造成淬滅。因此當(dāng)Fenton試劑的理論投加量從可氧化掉50%的COD增加到可氧化掉100%和200%的COD時(shí)，COD的去除率并未出現(xiàn)線(xiàn)性增加，其增加幅度逐漸變緩。

不同H2O2理論投加量下H2O2的實(shí)際利用率如表1所示。從表1可以看出，當(dāng)H2O2投加量理論上可氧化掉廢水中50%的COD時(shí)，3種廢水的H2O2實(shí)際利用率均大于100%。Fenton氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生醌類(lèi)物質(zhì)，有研究表明，醌類(lèi)物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，進(jìn)而導(dǎo)致氧激化反應(yīng)的發(fā)生，從而產(chǎn)生額外的•OH，而•OH可以進(jìn)一步氧化廢水中的有機(jī)物，所以出現(xiàn)了H2O2利用率大于100%的現(xiàn)象〔11〕。其具體的反應(yīng)機(jī)理還有待深入研究。

當(dāng)H2O2理論投加量分別為可氧化掉100%和200%的COD時(shí)，3種廢水的H2O2利用率均不足80%和50%。這是由于Fe2+對(duì)•OH有捕捉作用，F(xiàn)e2++•OH→Fe3++OH-，并且•OH還可以自身反應(yīng)，•OH+•OH→2H2O+O2，從而使•OH并不能完全被利用，同時(shí)H2O2投加量過(guò)高還會(huì)引起R•+•OH→ROH（R•為一個(gè)有機(jī)基團(tuán)）的出現(xiàn)，使最初產(chǎn)生的•OH泯滅〔12,13〕，由此可見(jiàn)過(guò)量的H2O2投加雖然可提高COD去除率，但會(huì)造成Fenton試劑的大量浪費(fèi)，從實(shí)際廢水處理角度上看并不經(jīng)濟(jì)。所以在研究Fenton反應(yīng)的過(guò)程中，可以考慮將Fenton試劑不足量分批投加。在反應(yīng)過(guò)程中如能快速找到每次反應(yīng)的終點(diǎn)，則可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分批投加Fenton試劑，這將大幅度提高Fenton試劑的利用率。

2.2ORP在反應(yīng)過(guò)程中的變化規(guī)律

在Fenton試劑投加量理論上可氧化掉廢水中50%的COD時(shí)，3種含酚廢水的ORP和COD隨時(shí)間的變化如圖2所示。

氧化還原反應(yīng)實(shí)質(zhì)上就是電子的轉(zhuǎn)移。反應(yīng)物中，接受電子能力強(qiáng)的，其氧化性就強(qiáng)，稱(chēng)其為強(qiáng)氧化劑。標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位規(guī)定為0，所以，氧化還原電位就是指在消除液接電位（即液體接界電勢(shì)差）的條件下，氧化還原電對(duì)組成的電極電位與標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位之間的差值〔14〕，也稱(chēng)作ORP。應(yīng)用ORP作為污水處理過(guò)程控制參數(shù)的研究已有近20年的歷史，且仍是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)之一。Fenton反應(yīng)中，首先是Fe2+被H2O2氧化成Fe3+，同時(shí)生成了具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基（•OH），新生成的Fe3+一部分發(fā)生了水解，還有一部分繼續(xù)在反應(yīng)中被中間產(chǎn)物HO2•還原為Fe2+，在這一系列的過(guò)程中，主要進(jìn)行的就是氧化還原反應(yīng)。在有機(jī)物降解的過(guò)程中，起著分解有機(jī)物重要作用的羥基自由基（•OH），即是由氧化還原電位決定的。

由圖2可以看出，當(dāng)H2O2加入后，ORP瞬間有了很大的提升。這是由于隨著H2O2的加入，有大量的Fe2+被氧化成Fe3+，此時(shí)Fe2+的含量迅速減少，具有強(qiáng)氧化性的•OH大量產(chǎn)生，所以反應(yīng)中氧化態(tài)物質(zhì)（主要是•OH和Fe3+）和還原態(tài)物質(zhì)（主要是Fe2+）的比值會(huì)不斷地升高，根據(jù)能斯特方程，氧化態(tài)物質(zhì)與還原態(tài)物質(zhì)比值的升高使得氧化還原電位值不斷升高。但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)enton氧化還原反應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，ORP的變化也逐漸趨于平緩，此時(shí)有機(jī)物的降解也趨于緩慢。從圖2可以看出，當(dāng)ORP的變化達(dá)到平臺(tái)期時(shí)，廢水中的COD在隨后幾乎沒(méi)有明顯的降低，因此當(dāng)Fenton試劑的投加不過(guò)量時(shí)，ORP和COD之間有很好的相關(guān)關(guān)系，可利用ORP的平臺(tái)期來(lái)實(shí)時(shí)判斷COD的變化情況，從而作為再次投加Fenton試劑的依據(jù)。

2.3動(dòng)力學(xué)研究及比較

將H2O2投加量為1.6mL/L、FeSO4•7H2O投加質(zhì)量濃度為292mg/L條件下苯酚、間甲酚、鄰甲酚廢水COD隨時(shí)間變化的趨勢(shì)分別與零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，其均與二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合后的相關(guān)系數(shù)最高。其動(dòng)力學(xué)擬合曲線(xiàn)如圖3所示，動(dòng)力學(xué)方程及參數(shù)如表2所示。具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

由Fenton試劑氧化苯酚、間甲酚、鄰甲酚廢水的動(dòng)力學(xué)結(jié)果可知，F(xiàn)enton試劑處理這些廢水的半衰期都很短，平均在26min左右，并且呈現(xiàn)降解速度間甲酚>苯酚>鄰甲酚的現(xiàn)象。這是由于3種酚類(lèi)苯環(huán)都含有—OH，而—CH3是供電子基團(tuán)，共軛作用使得苯環(huán)的電子云密度增大，根據(jù)親電加成規(guī)律，電子云密度越大越有利于羥基自由基的進(jìn)攻，從而易于發(fā)生氧化反應(yīng)；另外供電子基團(tuán)還可以令苯環(huán)的活性增大，使羥基自由基的進(jìn)攻變得容易，而且供電子基團(tuán)的供電性越強(qiáng)越容易發(fā)生反應(yīng)〔15〕，但由于鄰甲酚的“鄰位效應(yīng)”使得其空間結(jié)構(gòu)和基團(tuán)的活性發(fā)生改變，穩(wěn)定性增加，氧原子電荷密度變小，反應(yīng)速率呈現(xiàn)間甲酚>苯酚>鄰甲酚的規(guī)律，所以出現(xiàn)了上述反應(yīng)現(xiàn)象。

3結(jié)論

（1）Fenton氧化法對(duì)含苯酚、間甲酚和鄰甲酚廢水均具有較高的處理效果，H2O2投加量對(duì)含酚廢水的處理效果有很大影響，其直接影響廢水中污染物的降解程度。但過(guò)量投加H2O2，H2O2利用率并不高，造成H2O2大量浪費(fèi)。

（2）Fenton反應(yīng)中，當(dāng)Fenton試劑投加不過(guò)量時(shí)，ORP的變化呈現(xiàn)先升高而后趨于平緩的規(guī)律，此時(shí)ORP和COD之間的變化可呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，可將ORP作為Fenton試劑分批投加的控制參數(shù)。

（3）Fenton氧化處理苯酚、間甲酚、鄰甲酚廢水均符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模式，其氧化速率順序?yàn)殚g甲酚>苯酚>鄰甲酚。