1．目的及意义

随着工业的发展，生态环境日益被破坏，因此如何解决这些环境问题也成为了人们的当务之急。最近几年，随着染料工业和纺织工业的不断发展，染料废水对环境造成的压力越来越大。尤其是有机化合物的不断增多，使排入河流和水体中的污染物的种类和数量也逐渐增大，也进一步加重了其污染程度。因有机染料成分复杂、可生化性差、难降解，而按照废水中有机污染物的性质及含量的不同，其危害主要表现为：水体富营养化污染（染料废水中的有机物浓度较高，这些有机物大多含有大量的氮、磷等植物生长所需的营养元素，会导致浮游藻类的大量生长繁殖，进而使得水质恶化）、土壤盐碱化和酸化（染料相关企业在生产运行的过程中产生的碱性废水会导致土壤的盐碱化；其产生的酸性废水又会导致土壤的酸化）、重金属污染（染料废水中含有大量的重金属类物质，直接排放造成水体的重金属污染，而且水生动植物很容易吸收水体中的重金属类污染物质，通过食物链的富集作用，人类的身体健康也会遭受威胁）^{[1, 2]}。因此，如何处理有机染料废水成为当前水污染处理行业的焦点和难点。

针对不同种类和特性的染料废水，多种染料废水处理技术应运而生。传统的水处理方法主要包括：物理处理法、生物处理法及化学处理法^[1] 在实际工程应用中，通常将这三种方法按照具体要求进行组合，以达到理想的处理效果^{[3, 4]}。物理处理法只是使水体中的污染物发生了转移，没有将污染物真正的去除，意味着污染物依旧有被释放出来再次污染环境的可能性，造成二次污染；生物处理法通常对色度的去除率较差，一般仅为百分之五十左右，因此，如果对出水的色度要求较高，就需要在工艺流程中加入其他的方法辅助处理；化学法是染料分子通过氧化还原反应转变成无毒的小分子，从而达到净化染料废水的目的，最常用的化学处理法主要有化学混凝法和化学氧化法这两种。但是化学混凝法处理费用昂贵且运行过程中会产生大量的污泥，而化学氧化法反应传质能力差、耗能高，不能广泛应用于废水处理。在此基础上，提出高级氧化技术，高级氧化技术是在超声、电、光照射或催化剂等外界因素的作用下，使得反应体系中产生一些具有很强氧化能力的羟基自由基，通过羟基自由基的强氧化能力使溶液中的污染物分解成环境友好的二氧化碳和水等。按照自由基产生方式和反应条件的不同，将高级氧化法划分为光催化氧化法、电化学氧化法、湿式氧化法、超临界氧化法、Fenton及类Fenton氧化法及超声波氧化法等。

1894年H.J. Fenton研究发现酸性水溶液中的Fe² 和H₂O₂可以有效地氧化酒石酸，Fenton法也因此而得名，该方法为人们开辟了一种分析选择性氧化物的新思路^[5]。对于难降解废水的处理，Fenton法的效果要远远强于其他普通的方法。该方法具有易于操作、反应温和、成本低廉、降解速度快、降解对象种类繁多、COD及色度的去除效果好等优点，有着非常广阔的应用前景，目前己经成功地被应用到多种难降解废水的处理中^[6-8]。Fenton试剂能够有效地去除污染物，是由于其内部反应生成的HO#8226;拥有良好的电子亲和性和较强的氧化能力，通过HO#8226;与有机化合物之间发生的反应，使污染物最终降解为二氧化碳和水等无危害的小分子物质^{[9, 10]}。通过改进实验条件，Fenton法又衍生出了多种类芬顿法。刘璞等将Fenton法与混凝沉淀法联合使用深度处理二沉池的出水，并考察了双氧水的投加量、亚铁离子与双氧水的比例、亚铁离子的投加量、溶液的pH值以及反应时间等操作参数对TOC和COD的影响，并研究出了该条件下的最佳操作参数。试验结果表明TOC的去除率最高达到90%以上，而COD的去除率也高于70%。但是该方法需要使用大量的双氧水，而双氧水价格昂贵，若仅使用该方法对废水进行处理，则成本略高，因而该方法通常都是与其他方法联合使用，或被应用于对高浓度废水进行预处理或深度处理^[11]。

本课题的有机污染物选取甲基橙作为实验对象，在避光的条件下，通过对比不同pH条件下的实验数据，确定降解反应的最佳pH，寻找降解甲基橙适合波长，并在此波长下，通过分光光度法测量甲基橙的标准曲线；然后在避光、最佳pH、控温25℃的环境下，通过改变钨粉的加入量^[12]，对比实验数据，研究反应速率常数一级动力学；在避光、最佳pH、控温钨粉的加入量的环境下，通过改变反应温度，对比实验数据，探究温度对甲基橙降解的影响，算出反应活化能；在其他条件相同的情况下，对比通入氮气排氧前后的实验数据，探究降解反应的机理；而后引入超声，构建超声/类Fenton体系，研究甲基橙降解的情况^{[10, 13-19]}{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

基本内容：引入超声波这一处理技术,利用其空化效应强化类Fenton处理效果,减少化学试剂的加入,低经济成本。本实验建立一种基于超声辅助钨粉催化过氧化氢降解有机污染物（选用甲基橙为实验对象）的方法，研究考察超声功率、钨粉浓度、pH值、氧气和温度等不同反应条件对降解率的影响，探索出一条高效降解污染物的途径。

目标：通过改变钨粉的用量研究钨粉浓度对甲基橙降解的影响,求出反应速率常数动力学影响；通过改变溶液pH，探究pH对甲基橙降解的影响，寻求降解反应的最佳pH；通过控制反应温度，探究温度对甲基橙降解的影响，算出反应活化能；通过控制反应是否有氧，探究降解反应的机理；而后引入超声，构建超声/类Fenton体系，研究甲基橙降解的情况。

技术方案：

1. 完成准备工作：确定降解反应的最佳pH，寻找降解甲基橙适合波长，并在此波长下，通过分光光度法测量甲基橙的标准曲线。

2. 控制钨粉的量：通过改变钨粉的量，探究不同量钨粉下甲基橙的降解情况，求出反应速率常数。

3. 控制反应温度：在其他条件相同情况下，改变反应温度，观察甲基橙的降解情况，算出反应的活化能。

4. 对比有无氧气的反应：先研究在氧气存在的反应，观察甲基橙降解的情况，再对比用氮气排氧气后的反应，通过此实验研究此反应的机理。

   剩余内容已隐藏，您需要先支付 10元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付