用紫外/芬顿试剂净化室内挥发性有机气体

1 前言
　　
　　室内挥发性有机物（VOC_s）恶化了室内空气品质，使传统的空气处理方法受到了挑战。对于复杂的VOC_s成分，具有明显针对性的敏感检测器的研究和生产还不能满足实际需求。目前采用的高级氧化处理（例如臭氧和多种光催化氧化材料）对有害气体具有普适性。然而利用臭氧氧化方法处理室内空气，由于它的安全性面在一定程度上受到限制。TiO₂及表面修饰的各种光催化剂的应用规模还较小，此外与TiO₂材料接触的支撑材料还会在实施过程中出现老化等问题。
　　Fenton氧化法自1894年H.J.H.Fenton发明以来，在废水处理中得到广泛应用^[1～9]。这种由H₂O₂和金属盐（Fe²⁺）组成的引发体系分解活化能很低，在室温下就可引发污染物的氧化还原反应。亚离子作为催化剂，使其分解活化能较H₂O₂单独分解的活化能大大降低。加入紫外线外光（UV）辐射，可显著提高芬顿试剂的氧化效果。
　　硝基苯是难溶难降解的剧毒油状物质。销基是强钝化基，销基苯须在较强的条件下才发生亲电取代反应，生成间位产物。本文以销基苯废气作研究对象，讨论了它的氧化机理、实验方法、影响因素，并对空调通风系统中的应用提出我们的一些看
法。
　　
2 硝基苯的氧化机理^[4、5]
　　
　　室温下芬顿试剂可发生如下反应：
　　 　　
　　受到UV辐射时，下述离解过程可同时进行
　　　　
　　　　
　　其中羟自由基·OH具有极强的氧化性，作为活性中间体，反应中只能瞬间存在，它不仅能使有机污染物降解、矿化，还可使相邻的同种或不同种分子反应过渡到新的激发态。
　　　
　　　　　
　　　　　
　　硝基苯废气降解的过程由液相开始， 溶液对硝基苯的吸收是净化过程的重要环节。反应产物主要为二氧化碳，有机酸及NO^2-等。
　　
3 实验方法与分析^[10]
　　
　　3.1 实验方法
　　实验流程如图1。废气由反应器底部布气头进入，自下而上与Fenton溶液充分接触、反应，UV辐照可同时进行。净化后的气体由顶部排出，或进行循环处理。
　　
　　　　　　　　　　图1 UV/Fenton法处理硝基苯废气流程简图
　　　　　　1-气温泵； 2-空气过滤器；3-调节阀；4-气体流量计；5-配气瓶；6-缓冲瓶；
　　　　　　　7-UV/Fenton反应器；8-采样口；9- Fenton试剂；10-排空口；11-紫外灯；
　　　　　　　　　　12-循环气泵；13-排气口；14-循环液泵
　　
　　利用气相色谱法（电子捕获）分析处理前后硝基苯浓度。
　　配制初始硝基苯废气浓度C₀=200mg/m³，涤洗器内pH调整为4，加入Fe²⁺，使[Fe²⁺]=20 mg/L，反应器温度15℃，循环气泵流量Q=1L/min，反应时间为1h。
　　
　　3．2 影响因素和分析
　　硝基苯在UV/Fenton作用下具有较好的去除效果，且H₂O₂浓度对去除效果有明显影响。去除效率随H₂O₂浓度增大而增大，到33mg/L时，去除效果较好，而当H₂O₂用量再增大，效果并不随之增高。这是因为在一定浓度范围内，随H₂O₂浓度增大，被紫外光和Fe²⁺所产生的·OH增多，氧化性增强，大量的·OH有助于克服苯环上-NO₂的吸电子作用。但H₂O₂过高，所产生的·OH有助于克服苯环上的-NO₂吸电子作用。但H₂O₂过高，所产生的·OH在没有与有机物反应之前就相互碰撞而重新生成了H₂O₂^[7]，从而出现降解率反而下降的趋势。
　　固定H₂O₂浓度33mg/L，其他条件不变，改变用量来测定Fe²⁺对去除效果的影响，发现当Fe²⁺为4mg/L时，硝基苯降解率最高，Fe²⁺浓度再增大或减小，去除率都逐渐下降。这是因为当Fe²⁺浓度增大时，其对H₂O₂分解作用逐渐加强，使H₂O₂分解为·OH，提高了体系的氧化能力。但当Fe²⁺浓度过高时，Fe²⁺分解H₂O₂的过程中会产生Fe³⁺，而Fe³⁺在pH为4时以Fe（OH）²⁺形式存在，对290～400nm范围内的紫外光有较大吸收，从而降低了紫外线的强度，导致硝基苯去除率下降。
　　在相同实验条件下，改变pH值，考察pH对硝基苯去除效果的影响。
　　实验表明pH为4～7之间时除效果较好。这可能是因为在pH为4～7之间Fe³⁺以Fe（OH）²⁺形式存在，在紫外光照射下，Fe（OH）²⁺有如下反应
　　　　　
　　因此，三价铁的羟基络离子吸收紫外光，生成·OH和Fe²⁺，Fe²⁺反过来又可以加速H₂O₂的分解，使H₂O₂分解率增大^[4]。
　　另外循环流量的变化，直接影响废气在反应器内停留时间和传质效率，因此影响去除效果。
　　化学吸收过程为扩散过程和化学反应过程的结合，这就需要为传质提供较大的液面面积和加速传质不饱和层的更新以加大传质驱动力，适当增加气--液相的扰动程度，还能有效的控制反应时间，可提高去除效率，Q为1L/min时，去除率为69.15%，当Q再继续增大，去除率反而下降。