酚类化合物主要来源于石油裂解乙烯、合成苯酚、聚酰胺纤维、合成燃料、有机农药等生产过程。含酚废水是一种典型的难降解有机废水，为当今世界上危害最大、污染范围最广的工业废水之一。其中苯酚是最简单的酚类有机物，为酚类化合物中毒性最大，也是工业废水有机污染物的主要组成。酚类对人体、水产和农作物等都有一定的危害，美国卫生机构规定饮用水中酚的含量必须低于1mg/L，我国工业废水排放标准规定工业废水中酚含量不得高于5mg/L。因此需要对含酚类废水进行处理，减少含酚废水对环境的污染，降低对人类和其他生物健康的影响。
目前用于含酚类污水的处理方法主要有生化法(活性污泥法、生物膜法等)、高级氧化法(湿化催化氧化、芬顿法、臭氧氧化、等离子体技术等)，各有适用的范围。其中等离子体技术不仅可以产生强氧化性的自由基和激发态的原子、分子等高活性粒子，这些活性物质可使难降解有机物分子激发、电离或断键国。等离子产生过程中还伴随有紫外光辐射、冲击波以及液电空化降解等物理化学效应，这些效应也加速了有机物的氧化降解。近年来，越来越多的学者对此技术进行研究。本文采用电弧放电产生的等离子体处理苯酚废水，考察电压幅值、处理时间、溶液初始质量浓度和pH值、投加Fe2+和Fe3+等因素对苯酚降解率的影响，对所得到的结果进行了分析，研究内容为苯酚废水处理提供了参考。
1、实验
1.1 实验装置
本实验整套装置由等离子体放电电源、控制器、反应器和辅助设备组成，如图1所示。
1.2 实验试剂
实验试剂包括：苯酚、重铬酸钾、30%过氧化氢、氢氧化钠、硫酸银、硫酸汞硫酸、硫酸等。
主要试验仪器包括：BS224S电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司;pHS-3CpH计，上海精密科学仪器有限公司;UV2450紫外分光光度计，日本岛津有限公司;TOC-VcPH，日本岛津有限公司;DDS-11D电导率仪，上海精密科学仪器有限公司。
1.3 实验过程
实验所用水样为分析纯苯酚和纯水配制的模拟废水。采用4-氨基安替吡啉分光光度法测定溶液中的苯酚浓度，化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法测定。配置一定浓度苯酚溶液20mL置于反应器(直径100mm，高50mm无顶盖的圆柱状石英玻璃皿)中，用一柱状
铜棒做高压电极，待处理废水做地电极。开启氧气瓶将氧气注入水中，使得高压电极处形成大量气泡，有利于放电的产生。取样测定COD的降解效率及苯酚的浓度。
2、结果与讨论
2.1 反应时间的影响
放电电压为8kV，100mg/L的苯酚溶液，处理时间1~5min，处理效果如图2所示。在处理过程中可以观察到放电约1min溶液颜色发生变化变成黄色-红色，此后颜色再转成淡黄色。由图2可以看出，随着处理时间的延长，苯酚降解率增加。在处理时间达5min时，苯酚与COD可达到90%以上。由于实验过程中通入氧气，放电过程中可反应生成臭氧，臭氧与水分子作用形成过氧化氢、羟基自由基等。处理时间越长，上述氧化粒子浓度越高，因此苯酚溶液可以得到充分反应，苯酚的处理效果较好。
2.2 电压和时间的影响
改变放电电压(6kV、7kV、8kV)对100mg/L的苯酚溶液进行处理，苯酚和COD去除率见图3和图4。从图中可以看出，不同电压对苯酚的降解效果影响较为明显。随着电压的提高，COD的降解率相应提高。处理时间5min，放电电压为8kV时，苯酚去除率达92.3%，COD去除率达91.6%。随外加电压升高，放电产生的等离子体密度也随之增加，反应体系获得能量更高，放电过程产生产生的臭氧和活性自由基浓度也随之变大，苯酚受活性粒子有效碰撞几率增大，溶液中有机物氧化反应速率增加，降解率随之增高。
2.3 溶液初始浓度的影响
分别配置初始浓度为50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、250mg/L的苯酚溶液，放电电压8kV，不同浓度的处理效果如图5和图6所示。从图5、6可知，苯酚的初始浓度对降解效果影响比较明显，苯酚去除率及COD降解率随浓度的增加先升高后降低，在浓度为100mg/L的苯酚溶液的降解效果最好。当溶液浓度较低时，苯环与高能电子以及产生的活性物种碰撞而反应的概率较小，随溶液浓度增加反应产生的中间产物浓度增高，浓度越大，反应物、中间物与活性物种之间反应几率越强，从而使苯酚去除率越高。然而随溶液浓度进一步增加，由于等离子体密度不变，所以相同时间内苯酚的绝对降解量降低，苯酚去除率随之减小。因此，当苯酚溶液浓度在一定范围内，苯酚溶液的苯酚降解率会提高;当溶液浓度过高时，放电产生的羟基自由基、紫外光不能很好的将苯酚溶液的苯酚降解。因此，利用等离子体对苯酚的降解效果并不是浓度越低越好，亦不是浓度越高越好。
2.4 溶液初始pH值的影响
为了考察等离子体对水体pH值变化的适应程度，在苯酚溶液浓度100mg/L时，用H2SO4和NaOH调节溶液pH值，电压幅值8kV，处理时间5min，不同pH值下其处理效果见图7。苯酚和COD的降解效果随pH的增加先提高后减小再增大，在偏酸性及碱性的条件下，处理效果最好。放电产生的臭氧在高pH值下可以生成更多的羟基自由基回，苯酚降解率高。由此可知，电弧放电的最佳处理有机物有一定的适用范围。
3、结论
实验结果表明，电弧放电产生的等离子体对苯酚有较好的去除效果。初始浓度100mg/L，随着处理时间的延长，苯酚和COD去除率逐渐增大，电压幅值对其去除率影响较放电时间小。溶液初始浓度对苯酚去除效果影响较为明显，浓度越大和越小，去除率越低。溶液初始pH值会影响等离子体的处理效果，偏酸性及碱性条件下有利于苯酚的降解。
声明：
“苯酚废水处理电弧放电等离子体技术” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：北方有色网
来源：南京市市政设计研究院有限责任公司
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