1、毕业论文 开题报告 环境工程 Fenton试剂对直接染料废水的降解脱色作用研究 一、选题的背景、意义 随着 近年来纺织工业的迅速发展，染料品种和数量日益增加，染料生产和印染废水已成为水环境的重点污染源之一。染料废水 中含有染料、浆料、助剂、油剂、酸碱、纤维杂质、砂类物质、无机盐等 ， 具有有机物浓度高、色度高、无机盐含量高、成分复杂、可生化性差、脱色困难等特点， 属难处理的工业废水之一 。 它难以采用常规方法进行治理，且含有多种具有生物毒性或 “ 三致 ” (致癌、致畸、致突变 )性能的有机物，是当前国内外水污染控制领域急需解决的一 大难题。 印染废水的水质复杂，污染物按来源可分为两类：一类来
2、自纤维原料本身的夹带物；另一类是加工过程中所用的浆料、油剂、染料、化学助剂等。分析其废水特点，主要为以下方面：水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性和 pH 值变化大、水质变化剧烈。因化纤织物的发展和印染后整理技术的进步，使得 PVA 浆料、新型助剂等难以生化降解的有机物大量进入印染废水中，增加了处理难度。 印染废水的传统处理方法主要有化学法、物理化学法和生物化学法等，传统的混凝处理方法对于疏水性染料有效，但对亲水性染料的脱色效果差， COD去除率低，如对水 溶性的酸性染料、直接染料和活性染料去除效果不理想 1。近年来，高级氧化处理技术 (AOP)被引入到印染废水的处理中，其中 Fenton试
3、剂氧化降解染料废水被认为是一种很有发展前景的处理技术。 Fenton试剂是由 H2O2和 Fe2+复合得到的一种强氧化剂，它的特点是：（ 1） Fenton试剂反应中能产生大量的羟基自由基，具有很强的氧化能力，和污染物反应时具有快速、无选择性的特点；（ 2） Fenton氧化是一种物理 -化学处理过程，很容易加以控制，以满足处理需要，对操作设备要求不是太高；（ 3）它既可作为单独处理单元，又 可与其他处理过程相匹配，如作为生化处理的前处理；（ 4）由于典型的 Fenton氧化反应需要在酸性条件下才能顺利进行，这样会对环境带来一定的危害；（ 5）实际处理污染土壤时，由于 Fenton反应是放热反
4、应会产生大量的热，操作时要注意安全；（ 6） Fenton 氧化对生物难降解的污染物具有极强的氧化能力，而对于一些生物易降解的小分子反而不具备优势。 Fenton试剂在处理难生物降解或一般化学氧化难以凑效的有机废水时，具有反应迅速、温度和压力等反应条件缓和且无二次污染等优点，因此在染料废水处理中的应用越来越受到国内外的广 泛重视 2,3。所以，研究 Fenton试剂对染料废水的降解脱色作用有着十分重要的意义。 二、相关研究的最新成果及动态 1.国内研究成果 杨威、孔德骞、车春波、刘丹 4在 Fenton试剂对染料废水的降解脱色作用研究中指出，当甲基橙模拟染料废水的浓度为 200mg/L时， F
5、enton反应的最佳条件为 H2O2（ 30%）投加量为 0.6mg/L，水样 pH值为 4.0，水样温度为 20，反应时间为 60min， FeSO4投量为 200mg/L。 林桐枫、胡筱敏、杨蕴哲 5在 Fenton法脱色降解活性黑 5模 拟废水中指出，当染料浓度为 50mg/L时， Fenton反应的最佳条件为 H2O2投加量为 0.04mL， Fe2+浓度为 0.1mol/L，水样 pH值为 3.0，水样温度为 25，反应时间为 30min。 李勇、吕松、朱素芳 6在 Fenton试剂对处理活性艳红印染废水的实验研究中指出，当废水浓度为 100mg/L时， Fenton反应的最佳条件为
6、加药比（ FeSO4:H2O2）为 1:3.1，水样 pH值为 4.5，水样温度为 50，反应时间为 20min。 叶招莲、陈育红 7在催化氧化处理酸性染料废水中指出， Fenton反应的最佳适用的初始 pH值与待处理溶液的 COD值有关，在 3到 5之间波动。对于 COD为 3220mg/L的酸性大红染料废水，在按 H2O2:COD=1:1（质量比 )投加 (30%)H2O2，按 H2O2:Fe=6:1（质量比）投加分析纯 FeSO4 7H2O且避光反应 1.5h，初始溶液 pH=3时， COD的去除率达到 47%。他们报导：在 Fenton反应过程中，并不是 Fe2+越多越好，因为 Fe2
7、+过多会与 H2O2发生氧化还原反应，消耗部分过氧化氢，使效率急剧下降。 H2O2与 Fe2+的比值在 3 6之间， COD降解率比较高 。 李绍锋、张秀忠、张德明等人 8在 Fenton试剂氧化降解活性染料的试验研究中指出 ,染料浓度为 400mg/L时 , FeSO4浓度为 100-180mg/L， H2O2浓度为 240-250mg/L， pH值为 3.0，室温条件下反应 1h后 ， 色度的去除率达 95%以上 ， COD的去除率为 65% 85%， TOC的去除率为 70.2%。在他们的实验中 ,最佳初始 pH值为 3.0； 针对不同的染料 ， H2O2和 FeSO4均可以确定最佳投入
8、浓度 ； 反应时间在 40min之后被处理溶液色度和 COD基本保持恒定 ； 此时 ， 表明反应已经结束 ； 反应 温度增高 ， 色度和 COD的去除率先增加 ， 后降低 ， 针对这九种活性染料 ， 最佳温度为 75左右。但考虑工程的实际应用 ， pH值可以调节到 3 5之间 ； 反应温度在 75时虽然反应效果较好 ， 但考虑到能量的消耗与获得的反应效果不成比例 ， 因此不必调节实际废水的温度。 陈芳艳 9在 Fenton试剂处理活性艳橙 X-GN染料废水研究中指出，染料浓度为 500mg/L, FeSO4浓度为 200mg/L， H2O2浓度为 1.2mg/L， pH=6.05 时，在反应
9、40min之后，染料脱色率达到 99%。当 FeSO4浓度小于 200mg/L时 ，随着 FeSO4投加量的增加，色度及 COD的去除率增大；而当 FeSO4浓度大于 200mg/L时出现相反趋势。当 H2O2浓度小于 1.2mg/L时，随着 H2O2投加量的增加，色度及 COD的去除率迅速增大；当 H2O2浓度大于 1.2mg/L时，这一趋势趋缓。对于这种染料，初始 pH在 3 10之间，使用此方法均能够达到较好的色度和 COD去除效果。 顾平、刘奎、杨造燕 10在 Fenton试剂处理活性黑 KBR染料废水研究中指出，当染料浓度为 400mg/L， H2O2投量为 0.4mL/L， FeS
10、O4投量为 300mg/L 时 ， 脱色率达到 96 %，COD去除率达到 70%， 最佳初始 pH 值为 3.0。 2.国外研究成果 Wang11采 用 Fenton 试 剂 对 含 有 活 性 橙 BN、 活 性 蓝 RGB 和 活 性 红 RGB 废 水 进 行 了 脱色 研 究 。 结 果 表 明 ， 3种 活 性 染 料 废 水 的 色 度 去 除 率 均 达到 99 以 上 ;Lucas12和Muruganandham13都 进 行 了 使 用 光 /Fenton 试 剂 和 传统 Fenton 试 剂 对 活 性 染 料 脱 色 降 解 的对 比 研 究 。 结 果 证 明 ，
11、光 /Fenton反 应 比 传统 的 Fenton 反 应 具 有 更 好 的 脱 色 效 果 ； Malik14采 用 Fenton 试 剂 对 直接 蓝 2B和 直接 红 12B进 行 了 脱 色 降 解 实 验 ， 结 果 表 明 ， 在 反 应 试 剂 达到 最 优 配 比 的 条 件 下 ， 反 应 30min 染 料 的 脱 色 率可 达到 97 ， 60min 时 TOC 的 去 除 率可达到 70 ； Rathi15等 人 采 用 光 /Fenton 反 应 体 系对 直接 黄 12 的 脱 色 反 应进 行 了 考 查 ， 结 果显示 染 料 最 终 被 矿 化 为 含 氮
12、 和 碳 的 无 机 物 ； Daneshvar16,17以 酸 性 红 14为 研 究 对 象 ， 在 溶 液的 pH 值 为 3的 情 况 下 ， 分别 采 用 Fenton试 剂 、 类 Fenton试 剂 和 光 /Fenton试 剂 对此 染 料 进 行 降解 处 理 ； 同 时 ， 通过改 变 染 料 浓 度 、 光 辐 照 强 度 以及 铁 离子 浓 度 探讨 不 同 反 应 条 件 下 染 料 的脱 色 降 解 情 况 。 结 果 表 明 ， 紫 外 光 的 引入 明 显 提高 了 染 料 的 脱 色 率 ， 光 /Fenton 反 应 是 对 染料 废 水 进 行 处 理 的
13、 较 为 理 想 方 法 。 Scheeren18对 酸 性 橙 7也 做 了 类 似 的 研 究 ， 结 果 表 明 光/Fenton 反 应 对 于 酸 性 橙 7 的 降 解 是最有 效 的 处 理方 法 。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 1、研究内容 本次研究主要是通过查阅文献，收集 Fenton 试剂对直接染料废水的降解脱色作用研究的相关背景、理论方法及实验方法，确定各条件对 Fenton反应体系的 影响。 Fenton反应的反应机理为 19： Fe2+H2O2 Fe3+OH Fe2+ OH Fe3+OH- OH + H2O2 HO2 +H2
14、O Fe2+HO2 Fe(HO2)2+ Fe3+HO2 Fe2+O2+H+ HO2 O2 -+H+ Fe3+O2 - Fe2+O2 HO2 + HO2 H2O2+ O2 OH + HO2 H2O+ O2 OH + O2 - OH-+ O2 OH + OH H2O2 Fenton 试剂反应需要在酸性条件下才能进行，因此对环境条件的要求比 较苛刻，以下为影响 Fenton反应的主要条件： （ 1） pH 的影响。 Fenton试剂是在酸性条件下发生作用的，在中性和碱性的环境中， Fe2+不能催化 H2O2产生 OH-，因为 Fe2+在溶液中的存在形式受制于溶液的 pH 的影响。按照经典的 Fent
15、on 实际反应理论， pH 升高不仅抑制了 OH 的产生，而且使溶液中的 Fe2+以氢氧化物的形式沉淀而失去催化能力。当 pH 低于 3 时，溶液中的 +H 浓度过高， Fe3+不能顺利地被还原为 Fe2+，催化反应受阻。 （ 2） H2O2浓度的影响。随着 H2O2用量的增加， COD的去除首先增大，而后出现下降。这种现象被理解为在 H2O2的浓度较低时， H2O2的浓度增加，产生的 OH量增加；当 H2O2的浓度过高时，过量的 H2O2不但不能通过分解产生更多的自由基，反而在反应一开始就把Fe2+迅速氧化成 Fe3+，并且过量的 H2O2自身会分解。 （ 3）催化剂（ Fe2+）浓度的影响
16、。 Fe2+是催化产生自由基的必要条件，在无 Fe2+条件下，H2O2 难以分解产生自由基，当 Fe2+得浓度过低时，自由基的产生量和产生速率都很小，降解过程受到抑制；当 Fe2+过量时，它还原 H2O2且 自身氧化成为 Fe3+，消耗药剂的同时增加出水色度。因此，当 Fe2+浓度过高时，随着 Fe2+的浓度增加， COD 去除率不再增加，反而有减小的趋势。 （ 4）反应温度的影响。对于一般的化学反应随反应温度的升高反应物分子平均动能增大，反应速率加快；对于一个复杂的反应体系，温度升高不仅加速主反应的进行，同时也加速副反应和相关逆反应的进行，但其量化研究非常困难。反应温度对 COD降解率的影响
17、由试验结果可知，当温度低于 80时，温度对降解 COD 有正效应；当温度超过 80以后，则不利于 COD成分的降解。针对 Fenton试剂反应 体系，适当的温度激活了自由基，而过高温度就会出现 H2O2分解为 O2和 H2O。 2、研究方法 （ 1） 配置 一定浓度 的 直接染料 模拟废水。实验时，取模拟废水 200ml于烧杯（或锥形瓶）中。 （ 2）确定适宜的硫酸亚铁投加量。具体做法如下： 直接染料 模拟废水的浓度为 200mg/L， H2O2（ 30%）投加量为 1mg/L，调节 pH值为 4.0-5.0，水样温度为室温时，投加不同量的 FeSO4 7H2O(投加量分别为 20mg/L，
18、60 mg/L， 100 mg/L，200 mg/L， 300 mg/L)进行脱色试验，反应时间 60min。通过此实验，确定出 FeSO4 7H2O的最佳投加量。 （ 3）确定适宜的 H2O2（ 30%）投加量。具体做法如下： 直接染料 模拟废水的浓度为 200mg/L， FeSO4 7H2O 的投加量为 前步实验中 确定的最佳投加量，水样的 pH 值为 4.0-5.0，水样温度为室温时，投加不同量的 H2O2（ 30%）（投加量分别是 0.1mg/L， 0,2 mg/L， 0.4 mg/L， 0.6 mg/L， 0.8 mg/L）进行脱色实验，反应时间为60min。通过此实验，确定出 H2
19、O2（ 30%）的最佳投加量。 （ 4）确定反应时间对降解效 果的影响 直接染料 模拟废水的浓度为 200mg/L，水样的 pH 值为 4.0-5.0， FeSO4 7H2O的投加量为 前步实验 中确定的最佳投加量， H2O2（ 30%）投加量是 前步实验 中确定的最佳投加量，考察反应时间（取样时间分别为 10min， 20min， 40min， 60min， 80min）对 直接染料 模拟废水降解效果的影响。 四、论文详细工作进度和安排 1. 2010.11：由专业系队教师个人选题进行审核后对毕业生公布选题。 2. 2010.12：进行毕业论文动员，完成选题及任务书。 3. 2010.01：
20、布置 论文的具体任务， 通过查阅文献，收集研究的相关背景、理论方法及实验方法，写出文献综述、开题报告 (参考文献不少于 15篇，有外文 ) 4. 2011.02：确定实验方案并提交论文的前三项内容。 2010-2011（二）学期 5.第三教学周：完成开题报告答辩。 6.第四 十三教学周：进行毕业论文实验阶段，记录实验数据，并形成毕业论文初稿。 7.第十四教学周：对所得数据进行补充，并对初稿进行进一步的修饰，完成毕业论文的撰写。 8.第十五教学周：进行毕业答辩答辩 五、主要参考文献 1 李绍峰 ,黄君礼 ,陶虎春 .Fenton试剂降解水中活性染料的研究 J.哈尔滨建筑大学学报 ,2001,34
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