苯酚废水处理设备

苯酚是在1934年被被化学家Friedlieb Ferdinand Runge从煤焦油中提取出来的^[1]，苯酚简称酚，又以石炭酸闻名于世，常温下是一种无色或白色针状结晶，密度约1.07g/cm³。苯酚熔点很低，超过40℃就会熔化，常温下微溶于水，但易溶于有机溶剂（如乙醇）当中，具有特殊气味(与糨糊的味道相似)。在空气或日光下易被氧化而逐渐变成粉红色，*终变为红色。苯酚分子是由一个羟基直接连在苯环上构成，为烯醇式结构(如图1左)，但由于苯环的稳定性，这样的结构几乎不会经由电子或化学键的转化而成为酮式结构(如下图1右)。苯酚可以去离子化形成苯酚负离子^[1]，这种物质具有高度的水溶性，其共振结构如图2。

图1 苯酚的互变异构

图2  苯酚负离子的共振结构

苯酚在潮解变成液体后，有一定的腐蚀性，稀的苯酚溶液可以直接用作防腐剂和消毒剂，外科医师约瑟夫·李斯特首先将苯酚用于伤口的消毒，这大大降低了手术后感染的机率，拯救了无数病人的宝贵生命，这位伟大的医师也因此被尊称为“消毒防腐之父”。作为一种广谱型物质，苯酚价位比较低，用途十分广泛。不过目前苯酚的这种功用已被其他药品取代。讽刺的是：救人无数的苯酚也因为它的强烈毒性，被二次大战时的纳粹用于快速处决集中营里的囚犯，当时的医生利用特殊的针头对囚犯的心脏直接注射高浓度的苯酚，受害者在短暂的时间内便会死亡——苯酚对神经系统、肝、肾等内脏器官有毒害。 因此，我们不得不关注苯酚危险的一面。

苯酚广泛的应用也使得它成为一类分布广泛的重要污染物，这类污染物一旦进入水体，含量为0.1～0.2mg/l时，就足以让鱼肉有异味，过高浓度会让鱼群致死；如果进入人体则会使细胞内的蛋白质变性而杀死细胞，引起头晕、贫血、出疹和瘙痒等症状，同时对神经系统也有一定的损害作用。若不慎将苯酚洒在皮肤上，要迅速依次用酒精、温水冲洗，除去皮肤表面的酚液，并及时送到就近的医院。

目前，我国苯酚废水排放(GB8978-1996)的三级标准是1.0mg/L，二级标准是0.4mg/L，一级标准是0.3mg/L。在我们常使用的自来水、矿泉水中均含有符合国家安全规定三级标准（≦1.0mg/l）的苯酚，因为其含量很低，所以不会对人体造成大的影响。但是作为国家监管部门，还是得从老百姓切身利益出发，严格控制饮用水中的苯酚残留。

2 苯酚废水的处理方法

含苯酚的废水主要来自焦化厂、石化厂、树脂厂、绝缘材料厂、香料厂、塑料厂等。苯酚废水流入江河，对环境造成严重的污染，对人们的身体健康形成不容忽视的威胁，并且影响经济的可持续发展。鲁科版高中化学教材《实验化学》模块主题2“物质性质及反应规律的研究”中设置了活动2“有机化合物性质的研究”，特别安排了探索任务“请设计从废水中除去苯酚的实验方案，要求查找工业上处理含苯酚废水的方法并分析其中化学原理”。我们查阅了大量的相关文献，为大家提供了下面这张表格作为参考：

表1  废水处理方法及应用

    氧化法作为苯酚污水处理中*常用方法之一，其基本原理是用氧气、臭氧、氯气、二氧化氯、漂白粉等物质氧化具有还原性的苯酚。

二氧化氯（ClO₂）的氧化能力很强，作为一种安全、无刺激的广谱型的杀菌消毒剂和优良的漂白剂，也可用于工业废水中苯酚的处理，二氧化氯的用量是除酚效果的主要因素。实验^[8]表明：在相同条件下，pH小于8时，初始浓度越低，苯酚的降解作用越好，此外反应对温度要求不高，不用加热即可达到较理想的处理效果。

臭氧（O₃）具有极强的氧化性，常用来对废水进行除臭、脱色、氧化其中的有机和无机物。臭氧可以以两种方式进行氧化：臭氧分子与苯酚分子或者离子反应；臭氧分子分解产生的·OH与苯酚的自由基反应。苯酚中含有羟基，其邻、对位的电子云密度高，臭氧分子与苯酚分子作用时，可以进攻这两个部位进行亲电取代。当溶液pH较高时，苯酚形成阴离子，共振结构使得苯环的邻、对位的电子云密度再次增大，更利于臭氧分子的进攻，这也使得臭氧与苯酚离子的反应比臭氧与苯酚的反应更快。另外，pH的升高，使得臭氧分解产生的·OH增多，与苯酚分子的间接反应也加快，使得苯酚的降解速率加快。在相关研究^[9]中, 推测该反应的机理为：苯酚→苯二酚类及苯醌类化合物→醛酮类化合物→羧酸类化合物→CO₂、H₂O。

过氧化氢（H₂O₂）作为*的绿色氧化剂，在酸性条件下氧化性更强。在超声波和过氧化氢的共同作用下，苯酚的降解速率提高了将近3倍^[10]。而采用微波-过氧化氢-活性炭协同作用，在一定的条件^[11]下，可以使苯酚的降解率达到98.5%。此外，H₂O₂可以与Fe²⁺构成Fenton试剂，用于废水的高级处理，也可用于除去色素、COD、泡沫等。当加入紫外线、可见光辐射、磁力^[12]或者超声作为辅助时，Fenton试剂的除污效率更高。在此过程中，中间产物草酸与铁离子反应生成草酸铁络合物，它在光照条件下，极易降解，还原生成的Fe²⁺与H₂O₂，可以再进行Fenton反应。

高铁酸钾既有强氧化、杀菌作用又有吸附、助凝、絮凝、脱臭的作用。其去除酚类污染物的机理^[13]如下：

Fe₂O₄^2- + H₂O → Fe(OH)₃ + [O]

[O] + H₂O → 2OH·

2OH·→ H₂O₂

2 H₂O₂ → 2H₂O + O₂

活泼的羟基自由基和Fe³⁺的共同的氧化作用使氧化过程更加彻底；同时，还会形成Fe(OH)₃胶体，吸附水中的有机物。氧化时，苯酚先被氧化成苯氧游离基，再被氧化成醌。经研究^[14]发现，pH=8.0~9.0 ，连续搅拌，高铁酸钾和苯酚的投加比为20:1，反应时间为10min时，苯酚的除去率*高，为94.4%。

光催化氧化法是近年来环境化学家*关注的废水处理方法之一。在催化剂的作用下，将有机物逐步分解成低级分子，*终变为水和二氧化碳及其他简单离子的过程。在光催化下进行的反应需要反应分子吸收具有一定波长的电磁辐射而使分子激发，然后进行化学反应，或者作为中间物质引发热反应。光子所具有的能量作为该反应的活化能，即发生光电转换。在光催化氧化中，二氧化钛（TiO₂）尤其是处于纳米级别的，是光催化氧化的理想催化剂。结果^[15]表明：苯酚浓度为20mg/L和弱酸性条件下，光照时间为10h，苯酚的降解率可以达到为91.2%，且该过程中TiO₂可重复使用。

除了上述处理苯酚废水的方法以外，还有固定化微生物三相流化技术、表面活性剂微乳膜^[16]等方法，与生物、物理渗透，这里不再一一赘述。

上述介绍的方法涉及物理、化学和生物等多学科。物理方法中的吸附法对吸附剂的要求很高；萃取法途径固定，方法单一，可以使废水中的含酚量低于国家废水标准；液膜法方法新颖，但是对于技术和设备的要求很高，不易广泛推广应用。化学处理方法中的沉淀法，操作简单，成本低廉，但对酚的处理效果不佳；氧化法*常用，从操作流程角度、处理效果等角度综合分析更易普及，通常用于低浓度含酚废水的处理；电解法在处理过程中反应速率和类型均易控制，操作简单，且不需要后续处理，但是能耗高，不适宜高浓度废水处理，；光催化法降解速率比一般化学反应快，效果也好，且无二次污染，操作简单，成本低廉，可处理高浓度含酚废水。

3 中学实验室苯酚废水处理

苯酚是高中有机化合物重要的学习对象，中学实验室的苯酚废水同样值得关注。不过中学教学中应用苯酚一般限于性质实验，产生污染并不太多，易于处理；因而废水处理的流程可以设计为：收集废水→分析成分→物理或者化学方法处理→排放或再利用。

为了检验废水中是否含有苯酚，在一定条件下，可以选择Fe³⁺作为检验物质，反应方程式如下：6C₆H₅OH + Fe³⁺ → 6H⁺ + [Fe(C₆H₅O)₆]^3- 

对于苯酚废水的处理，常利用吸附和萃取的方法将苯酚转移。方法分别为：先在废水中加入一定量的FeCl₃，溶液出现紫色后，再加入活性炭，会看到溶液的紫色褪去；直接在废水中加入苯，溶液分层以后，在上层和下层溶液中分别都加入FeCl₃，这时就可以依据颜色的变化来确定苯对苯酚的萃取作用^[17]。为了加强实验时颜色的变化，在该实验的改进^[18]中，可以用乙酸乙酯代替苯作萃取剂，用溴水来判断乙酸乙酯的作用效果和作用方式。但是在实际处理过程中，只有定性判断远远不能说明苯酚的处理效果，建议借助分光光度计来定量分析。

双氧水、活性炭在中学实验室里也是比较易得的化学物质，学校实验人员、中学生也可以借鉴科技前沿，对实验室苯酚废水处理进行深入的研究。对于一些条件较好的中学，可以采用生物接触氧化法处理废水，虽然花费会比较大，但是处理比较彻底。