铜渣类Fenton体系处理H酸废水
H酸是很重要的萘系染料中间体，主要用于生产酸性、活性偶氮染料。H酸生产过程中产生的废水，酸性强（pH1.5~2）、COD很高（30~50g/L）、色度高（1x106倍）、毒性大、含盐量高（质量分数10%以上），难以进行生物降解，容易造成水体污染。
传统Fenton氧化处理H酸废水已有诸多报道，并广泛应用，但容易产生二次污染。异相催化类Fenton体系具有双氧水利用率高，催化剂可重复利用等优点，值得关注的是，矿物催化类Fenton体系可用于处理有机污染物。
铜渣是炼铜过程中产生的固体废弃物，我国每年新增铜渣达1000万t左右，少量用作水泥配料或建筑材料，而大部分简单堆存，占用土地资源。
铜渣含铁量近40%，本研究采用铜渣/H2O2类Fenton体系处理H酸废水，探究了初始pH、铜渣及双氧水投加量、铜渣粒径等因素对处理效果的影响，对催化机理进行了探讨。
1、实验部分
1.1 材料、试剂和仪器
H酸废水院取自江苏某化工公司，废水平均COD为4.5x104mg/L、总有机碳TOC为1.82x104mg/L、pH为1.6。
试剂院过氧化氢（质量分数为30%）、硫酸亚铁（FeSO4•7H2O）、氢氧化钠、浓硫酸、重铬酸钾、硫酸亚铁铵、乙酸铵、邻菲��啉、冰乙酸、盐酸等，购自上海国药集团有限公司，均为分析纯。
矿物院铜渣取自湖北某铜冶炼厂的水淬铜渣，天然矿物（黄铜矿、磁铁矿、黄铁矿）均为工业品，由相关厂矿提供，未进一步提纯，所有矿物经敲碎、研磨、筛网过筛后备用。
仪器院pHS-3E型pH计，上海雷磁仪器厂；T6新世纪紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；筛网，上海新正机械仪器制造有限公司；FA2004B型分析天平，上海精密科学仪器有限公司；P70D20AP-N9（W0）型微波消解炉，广东格兰仕微波炉电器制造有限公司；COS-110X5型恒温水浴震荡器，上海比朗仪器有限公司；MultiN/C3100型总有机碳分析仪，德国耶拿分析仪器股份公司；18kW转靶X-射线衍射仪；S-4800型扫描电子显微镜。
1.2 实验方法
1.2.1 催化剂表征
铜渣采用18kW转靶X-射线衍射仪进行物相定性分析，扫描电子显微镜附属EDS进行微区元素种类与含量分析。测试的铜渣粉末粒径0.15~0.20mm。
1.2.2 废水处理试验
取200mLH酸废水（原水或稀释100倍）倒入锥形瓶中，调节pH至设定值，加入不同量、不同粒径铜渣，密封后放入恒温水浴摇床中震荡，间隔一定时间取样，测定滤纸过滤后水样COD、TOC，计算COD、TOC去除率。
使用稀释100倍的H酸废水，矿物投加质量浓度为2.5g/L，按n（H2O2）：n（Fe2+）=20：1投加FeSO4，根据COD去除率，对比铜渣与磁铁矿、黄铜矿、黄铁矿3种异相催化剂及Fe2+传统Fenton催化剂的处理效果。
1.3 分析方法
采用微波消解法测定COD，标准方法测定TOC，邻菲��啉法测定Fe2+浓度。
2、结果与讨论
2.1 铜渣特性
铜渣EDS分析结果见表1。
水淬铜渣EDS分析结果显示，铁含量最高，次要元素为O、Si、C，Cu、Pb、Zn不可忽视，其他金属元素含量甚微。铜渣XRD图清楚表明，铜渣中主要的晶相矿物有铁橄榄石和磁铁矿。
2.2 类Fenton氧化处理效果
2.2.1 不同催化剂对比
在H酸稀释倍数100倍，H2O225mmol/L，矿物2.5g/L，矿物粒径0.15~0.20mm，Fe2+1.25mmol/L条件下，以不同矿物作为类Fenton反应催化剂，考察在不同初始pH下各催化剂对H酸废水的处理效果，结果见图1。
从图1可以看出，传统Fenton体系和黄铁矿/H2O2类Fenton体系的处理效果在pH1~6范围内变化较小；铜渣虽在pH=5之后催化活性大幅度下降，但在酸性条件下有更佳的处理效果。由于H酸废水的酸性强（pH1.5~2），铜渣是一种有工业应用前景的类Fenton体系处理H酸废水的催化剂。
2.2.2 铜渣投加量的影响
在H酸稀释倍数100倍，H2O225mmol/L，投入铜渣粒径0.15~0.20mm，初始pH=3条件下，考察铜渣投加量对废水的处理效果以及Fe2+溶出量的影响，结果见图2。
由图2可知，随着铜渣投加量的增加，COD、TOC的去除率升高。这是因为当铜渣投加量过低时，水中Fe2+浓度过低，影响对H2O2的催化效果。铜渣投加量逐渐增加，在酸性环境下Fe2+的溶出量（增大，催化产生更多的•OH增强降解效果；铜渣投加质量浓度为2.5g/L时COD去除率达到最高（70%）。铜渣投加过量时会影响处理后废水的色度。
2.2.3 H2O2投加量的影响
在H酸稀释倍数100倍，铜渣2.5g/L，粒径0.15~0.20mm，初始pH=3条件下，考察双氧水投加量对H酸废水处理效果的影响，结果见图3。
由图3可知，随着H2O2投加量的增加，H酸废水的COD、TOC去除率明显增加之后又略有降低，以H2O2投加量25mmol/L时为最佳。其原因是，当H2O2浓度很小时，产生的•OH很少，增加H2O2在废水中的浓度会增加•OH的量，促进Fenton氧化反应的进行；当H2O2浓度较高时，过量的H2O2会与产生的•OH发生反应，消耗H2O2以及•OH，导致主反应所需的•OH缺少而使得降解能力下降。
2.2.4 初始pH的影响
在H酸稀释倍数100倍，H2O225mmol/L，铜渣2.5g/L，粒径0.15~0.20mm条件下，考察初始pH对H酸废水处理效果的影响，结果见图4。
由图4可知，初始pH不仅影响COD去除率，也影响污染物的降解速度，酸性促进铜渣中Fe2+的溶解，铜渣催化能力变强。pH=3时处理效果最佳，pH过低，不利于Fe3+还原，处理效果下降；而当pH较高时，溶液中的Fe3+、Fe2+会发生沉淀反应，不利于有机污染物氧化降解反应的进行。初始pH分别为1、2、3、5、8、10时，反应结束后废水pH分别为1.2、3.11、5.52、6.51、7.91、8.72，可以看出，铜渣对废水pH有调节作用，这是使用铜渣处理H酸废水的优点之一。
2.2.5 铜渣粒径的影响
在H酸稀释倍数100倍，H2O225mmol/L，铜渣2.5g/L，初始pH=3条件下，考察铜渣粒径对H酸废水处理效果的影响，结果见图5。
图5显示，铜渣粒径过大时，COD去除率较低，原因是因为铜渣比表面积小，不利于表面催化反应的发生，（不利于Fe2+溶出。本研究中铜渣粒径以0.15~0.20mm为宜。
2.3 H酸稀释倍数的影响
在n（H2O2）：m（铜渣）=10mmol/g，n（H2O2）：m（COD）=55mmol/g，粒径0.15~0.20mm，初始pH=3条件下，考察H酸废水稀释倍数对处理效果的影响，结果见图6。
从图6可以看出，H酸废水稀释倍数的增加对降解效果的影响不大，在高浓度的H酸废水条件下，n（H2O2）：m（铜渣）投入量比例在10mmol/g，n（H2O2）：m（COD）=55mmol/g时，仍然可以达到最高75%的COD去除率和40%的TOC去除率。废水不稀释，pH更低，有利于类Fenton反应的发生，COD的去除速率（加快，在2h左右COD去除率即达到稳定。
2.4 铜渣重复利用
随着铜渣重复利用次数的增多，COD去除率呈现逐渐下降的趋势，重复利用4次时COD去除率为40%。铜渣作为催化剂，铜渣表面存在着铁催化H2O2生成•OH的过程使得铜渣保持了一定的催化稳定性。
3、结论
与传统Fenton反应和矿物类Fenton反应对比，铜渣作为类Fenton反应的催化剂时更加适应H酸废水强酸性条件，具有更好的催化H2O2降解H酸废水中有机污染物的作用。初始pH影响降解速度，初始pH=3时降解速度和COD去除率均比较高；铜渣、H2O2投加量、铜渣粒径以及反应时间影响催化降解效果。COD去除率在60%~75%，TOC去除率40%左右。铜渣重复使用4次时COD去除率仍可以达到40%，重复使用的Fe2+溶出量减弱明显，意味着整个处理过程不仅Fe2+参与了对H2O2的催化，铜渣矿物表面有重要催化作用。（来源：东华大学环境科学与工程学院，上海市污染防治与生态安全研究所，国家环保工程纺织工业污染治理工程中心，上海船舶运输科学研究所）