芬頓試劑加藥量對於超音波／芬頓程序之影響

適當添加 H2O₂ 及 Fe²⁺藥劑對於芬頓反應相當重要，且有其最適加藥量。當 添加劑量不足，反應中無法產生足量OH 以降解有機物；而過量 Fe²⁺或 H₂O₂皆 會消耗OH，導致污染物降解效率變差。因此，本研究測定反應後 US/Fenton 系 統中所殘餘之 H₂O₂及 Fe²⁺濃度，以瞭解系統中是否為過量加藥，並以溶解性 TOC 及 COD 去除率多寡作為系統加藥量之評估。本試驗固定超音波輸出功率及頻率 分別為 400 W 及 20 kHz，初始溫度 15－20℃，反應 60 分鐘，即在固定超音波輸 出能量下探討 H2O₂及 Fe²⁺加藥量對於 US/Fenton 系統之影響。實驗中首先固定 [Fe²⁺]＝10 mM，改變 H₂O₂濃度，[H₂O₂]＝10、125、200、250 及 500 mM，H₂O₂ 濃度對於 US/Fenton 系統之影響結果如圖 4.3 所示，(a)為目標廢水中溶解性 TOC 及 COD 去除率；(b)為 US/Fenton 系統中殘餘 H₂O₂及 Fe²⁺之濃度。圖 4.3 (a)顯示 US/Fenton 系統中添加[H₂O₂]/[Fe²⁺]＜20 時，其目標廢水中之溶解性 TOC 及 COD 去除率皆隨著[H₂O₂]/[Fe²⁺]增加而提升，亦即 H₂O₂添加濃度為 10 至 200 mM 時，

由於 Fenton 反應之OH 產量增加而使廢水之溶解性 TOC 去除率由 21.9%逐漸增

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加至 55.8%，而 COD 去除率由 25.2%增加至 64.8%；然而，當[H₂O₂]/[Fe²⁺]＝20

－50 ([H₂O₂]＝200－500 mM)，廢水之溶解性 TOC 及 COD 去除率趨於穩定，溶 解性 TOC 去除率為 55－57%；而 COD 去除率為 59.1－64.8%。圖 4.3 (b)可知，

隨著 H₂O₂劑量增加，於 US/Fenton 系統反應 60 分鐘後之殘餘 H₂O₂濃度明顯隨之 增加，而 Fe²⁺則已幾乎被反應完畢而使得系統殘餘濃度皆小於 0.1 mM，其結果顯 示 H₂O₂添加量大於 250 mM 時為過量加藥，並可能導致 US/Fenton 系統中OH 產量之消耗。此外，Lee et al. (2011)指出若水樣存在 H₂O₂會導致 COD 測定干擾，

是因為 H₂O₂會被重鉻酸鉀氧化而高估廢水中 COD 值，且每 mg H₂O₂理論貢獻 0.47 mg/L COD，如式 4.1 所示，因此反應後之 COD 必須扣除 H₂O₂之貢獻。

K₂Cr₂O₇＋3H₂O₂＋4H₂SO₄ → K₂SO₄＋Cr₂(SO₄)₃＋7H₂O＋3O₂ (4.1)

綜合以上溶解性 TOC 及 COD 去除率與系統中殘餘 H₂O₂及 Fe²⁺濃度之結果 得知，於[Fe²⁺]＝10 mM 之條件下，以添加[H₂O₂]＝200 mM 對於目標廢水有最佳 溶解性 TOC 及 COD 去除率。

固定上述得出 H2O₂之適當加藥量 200 mM，改變[Fe²⁺]＝2.5－50 mM，亦即 [H₂O₂]/[Fe²⁺]分別為 80、60、40、20、10 及 4，如圖 4.4 為改變[Fe²⁺]對於 US/Fenton 系統之影響，(a) 為目標廢水中溶解性 TOC 及 COD 去除率；(b) 為 US/Fenton 系 統中殘餘 H₂O₂及 Fe²⁺濃度。如圖 4.4 (a)所示，顯示在相同[H₂O₂]條件下，Fe²⁺有 其最佳添加劑量，過多或過少皆會使系統中 H2O₂ 或 Fe²⁺任一方殘留而導致OH 消耗，進一步降低 US/Fenton 程序降解有機污染物之效率。以[H₂O₂]/[Fe²⁺]＝40 之條件([H2O₂]＝200 mM；[Fe²⁺]＝5 mM)，能最有效去除此目標廢水之溶解性 TOC 及 COD，去除率分別為 55.2、81.8 %。由圖 4.4 (a)可知，隨著添加 Fe²⁺劑量越高 ([H₂O₂]/[Fe²⁺]＜40)，使得 US/Fenton 系統中 Fe²⁺未能反應完全而導致殘餘濃度增 加，並且消耗系統中OH 之產量；而在低劑量之 Fe²⁺添加時 ([H₂O₂]/[Fe²⁺]＞40)，

38 US/Fenton 系統中 Fenton 試劑加藥量對於廢水中有機污染物之降解有顯著影響，

在本節結果中找出最適添加劑量為[H₂O₂]＝200 mM；[Fe²⁺]＝5 mM，其藥劑能反

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OH，或有機物濃度及種類有關，因此在本研究中以高濃度添加可得較佳處理廢 水處理效果。另一方面，高濃度 H₂O₂ 添加可能對系統有增加溶氧之額外效應，

利於微泡生成及OH 生成。原因是 US/Fenton 系統反應過程溫度逐漸升高，導致 溶解氣體量減低，微泡產生閾值升高，不利OH 產生(Ince et al., 2001)，Muruganandham and Swaminathan (2006)指出 Fenton 系統中過量 H₂O₂雖然會消耗OH，但反應伴 隨 O₂生成而增加溶解氣體，反應式如式 4.2 與 4.3。因此，高濃度 H₂O₂產生之溶 氧具有曝氣效果而加速微泡成核，以增加OH 產量，進而提升污染物之去除率。

H₂O₂ +˙OH → HO₂˙+ H₂O (4.2) HO₂˙ + ˙OH → H₂O + O₂ (4.3)

40

Res idual [ H 2 O 2 ] (mM )

0

Res idual [ Fe 2+ ] (mM )

0

41

Residual Fe2+ (mM)

0

42 US/Fenton 系統僅利用 20℃循環水冷卻反應槽，反應過程中溫度仍會緩慢提升，

因此，超音波輸出強度不僅影響 US/Fenton 系統中微泡生成速率及崩解強度，同