零价铁联合过二硫酸盐降解水中硝基苯及机理研究

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硝基苯被美国环保署列为优先控制污染物,对环境及人类都有极大的危害性。硝基苯由硝基和苯环组成,硝基是吸电子基团,导致自身的电子云密度下降;相对于难氧化,硝基苯容易被还原。  零价金属还原是近几年水处理领域的研究热点。零价铁属于化学性质活泼的过渡金属,是一种较强的还原剂。基于硫酸根自由基(SO4)的高级氧化技术是一种新型的水处理技术,强氧化性的SO4可通过热、光、过渡金属离子(比如Fe2+)等方式活化过二硫酸盐(PS)产生,其中Fe2+与PS组成类Fenton体系。  本研究针对水中硝基苯的特点,先利用零价铁将硝基苯还原,生成反应产物苯胺和二价铁离子(Fe2+);PS被零价铁活化氧化,产生SO4,将苯胺氧化降解。通过时间的连续处理,将硝基苯结构上吸电子基团转变成亲电子基团,再充分利用反应产物Fe2+,结合PS发生类Fenton反应。具体研究内容如下:  (1)考察了零价金属(铁、锌、铜、锰)及铁/锌、铁/铜双金属联合还原硝基苯的效果,发现单独使用零价铁具有最好的还原效果。利用零价铁还原硝基苯,随着零价铁投加量的增加,硝基苯剩余越少,反应产生的苯胺和Fe2+随之增加;在整个反应周期中,硝基苯的还原速率呈先增加后减少的趋势。反应体系的初始pH为酸性条件时,硝基苯的还原率最高。  (2)以硝基苯还原产物苯胺为目标污染物,利用零价铁-PS反应体系氧化降解苯胺,苯胺的降解量随着PS的投加量的增加而增加;体系pH呈酸性,利于Fe2+的产生,维持体系pH=9.2,催化降解PS的速率较慢;零价铁在体系中缓慢释放Fe2+,催化PS分解,增强了类Fenton反应的降解效果。  (3)研究将零价铁的还原和PS的氧化技术巧妙结合去除水中硝基苯。存在零价铁还原降解硝基苯、及零价铁(或Fe2+)催化PS氧化降解还原产物苯胺等反应。采用依次投加零价铁和PS的方式降解硝基苯,随着PS投加时间的推后,零价铁还原硝基苯产生更多的苯胺,加入PS后苯胺的氧化降解更彻底;硝基苯的还原随零价铁投加量的增加而增加,而还原产物苯胺的氧化随着PS投加量的增加而增加;体系初始pH主要影响零价铁对硝基苯的还原反应,而对苯胺的氧化反应影响不大,酸性条件利于硝基苯的还原。  (4)建立零价铁-PS连续运行体系,以Fe2+为媒介巧妙结合还原与氧化,能有效降解硝基苯。利用零价铁还原柱还原硝基苯,零价铁对不同浓度硝基苯还原效果均较好,随着流速的减慢及初始pH的降低,还原生成的苯胺越多,剩余的硝基苯越少。零价铁-PS连续运行体系中,初始的pH=3时,随着零价铁填量的增加,还原产物Fe2+随之增加,再投加PS后,最终的硝基苯剩余量基本没有变化,而还原产物苯胺随之减少,当C(Fe2+):C(PS)=4.76:3.6时,苯胺的降解率最高。
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