Fe2O3/凹凸棒土催化空氣氧化處理印染廢水的研究

周 偉，馮良東，李登好

(淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，江蘇省凹土資源利用重點實驗室，江蘇淮安 223003)

0 引言

紡織工業(yè)會產(chǎn)生各種廢水，其中以印染廢水污染較為嚴重，其排放量約占工業(yè)廢水總排放量的1/10。印染廢水中含有大量的有機物，對人類產(chǎn)生很大的毒害作用，多具有致癌、致畸、致突變的“三致”特點，嚴重威脅到人類生命及健康。印染廢水具有較高的色度和化學(xué)需氧量，廢水成分復(fù)雜，主要含有多種染料、顏料及染色助劑，而且這些物質(zhì)含有較穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，難以用一般的方法進行處理。用于印染廢水處理的各種方法都具有自身的優(yōu)缺點，再加上各個印染廠工藝的差異和印染廢水水質(zhì)的復(fù)雜性，單一的一種處理方法很難達到理想的處理效果。在紡織品印染加工中，有10% ～20%的染料作為廢物排出。印染廢水的色度尤為嚴重，用一般的生化法難以去除。印染廢水的處理除色度外還包括對有機物的去除等多項指標(biāo)。因此在實際工程中應(yīng)根據(jù)具體的條件和要求，從可行性和經(jīng)濟性兩方面出發(fā)，進行科學(xué)地選擇，合理地組合工藝，才能達到理想的效果。目前國內(nèi)大多采用的是生化為主體的物化-生化組合方式，色度的去除一般以物化為主，有機物的去除則是以生物法為主。CWAO(催化濕式氧化法)是在WAO(濕式氧化法)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，該方法具有反應(yīng)條件溫和，對反應(yīng)裝置腐蝕不嚴重，且能有效降解一些高濃度難降解的有機廢水等特點，已成為當(dāng)今廢水處理技術(shù)研究的一個熱點。高效、穩(wěn)定、價廉的非均相催化劑的研究對CWAO的廣泛應(yīng)用有重要的意義。凹凸棒土是一種天然非金屬材料，為晶質(zhì)水合鎂鋁硅酸鹽礦物，它的外觀為灰白色，呈針狀結(jié)晶，具有獨特的層鏈狀結(jié)構(gòu)特征和不同尋常的膠體和吸附性能，價格低廉，資源豐富。本文研究通過浸漬法制備負載型Fe2O3/凹凸棒土催化劑，并研究其在空氣作用下降解印染廢水的性能。

1 原料與儀器設(shè)備

1.1 主要原料

硝酸鐵(AR)、凹凸棒土(江蘇盱眙)、直接大紅染料等。

1.2 主要儀器設(shè)備

空氣泵ACO-002(浙江森森實業(yè)有限公司)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9070A(上海恒科技有限公司)、箱式電阻爐SX2(上海實驗儀器廠有限公司)、752N紫外可見分光光度計(上海精密科學(xué)儀器有限公司)、S-3000N型掃描電鏡(日本日立公司)。

2 實驗方法

2.1 Fe2O3/凹凸棒土催化劑制備

將載體凹凸棒土用不同濃度的 Fe(NO3)3溶液浸漬12h，然后置干燥箱中于110℃下干燥2h，之后在400℃條件下焙燒3h，制得負載型Fe2O3/凹凸棒土催化劑。

2.2 Fe2O3/凹凸棒土催化空氣氧化處理印染廢水

稱取一定量的Fe2O3/凹凸棒土催化劑置于100mL三口燒瓶中，加入50mL待處理印染廢水(直接大紅模擬染料廢水)，然后用空氣泵向三口燒瓶中不間斷通入定量的空氣，使溶液充分的混合，不斷翻滾，同時達到攪拌和通入氧氣的目的。靜置一段時間，取上層清液，并測其吸光度，計算其脫色率。

2.3 印染廢水脫色率的測定

色度用752N紫外可見分光光度計測定，并按下式計算其脫色率。

色度去除率=(原廢水的吸光度-處理過的廢水吸光度)/原廢水的吸光度×100%。

3 結(jié)果與討論

3.1 Fe2O3/凹凸棒土催化空氣氧化處理印染廢水

3.1.1 不同濃度浸漬液催化劑對脫色率的影響

催化劑中活性組分Fe2O3的負載量直接影響催化效果，為了考察活性組分負載量對催化效果的影響，分別取 0.0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mol/LFe(NO3)3溶液浸漬后得到的催化劑各0.2g，放入三口燒瓶，處理300mg/L的直接大紅50ml，pH值控制在6-7之間，通入流量為5L/min的空氣，反應(yīng)時間2小時。然后倒入小燒杯中靜置，后取其上層清液測其吸光度計算脫色率。脫色率隨浸漬液濃度的變化如圖1所示。

圖1 浸漬液濃度對脫色率的影響

由圖1可見，隨著浸漬液濃度的增加催化劑活性也增加。當(dāng)浸漬液濃度為0.2mol/L時，催化劑對直接大紅模擬印染廢水的催化活性比較好，脫色率較高，當(dāng)浸漬液濃度高過0.4mol/L后，催化劑對模擬印染廢水的脫色效果開始下降，這可能是由于浸漬液濃度的提高，使得活性成分在載體上的負載量增加后，活性組分顆粒增加，比面積降低所至。雖然并不明顯，但是浸漬液的濃度增加加大了催化劑的成本，因此催化劑浸漬液濃度選用0.2mol/L。

3.1.2 催化劑加入量對脫色率的影響

為考察催化劑用量對催化氧化體系效果的影響，分別對不同催化劑投加量下的廢水催化氧化反應(yīng)進行了研究。反應(yīng)條件:浸漬液濃度為0.2 mol/L 的催化劑 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 g處理300 mg/L的直接大紅50 mL，pH值控制在6-7之間，通入流量為5 L/min的空氣，反應(yīng)時間2h。靜置后取上層溶液測其吸光度計算脫色率，如圖2所示。

圖2 催化劑的加入量對脫色率的影響

由圖2可知，當(dāng)不加催化劑通入定量空氣的時候，染料的脫色率幾乎為零。隨著催化劑加入量的增加，直接大紅的脫色率迅速升高。顯然由于催化劑投加量的增加，增加了催化劑催化作用面積，提高了染料和氧化劑與催化劑活性中心接觸的幾率，從而使染料降解速度加快。但當(dāng)催化劑的加入量超過0.2g時，直接大紅脫色率增加不是很明顯。

3.1.3 反應(yīng)時間對脫色率的影響

反應(yīng)條件:用浸漬液濃度為0.2 mol/L的催化劑，加入量為0.2 g，處理300 mg/L的直接大紅50 ml，pH值控制在6-7之間，通入流量為5L/min的空氣，反應(yīng)時間分別為 0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，2.5 h，3 h和3.5h時，靜置后取上層溶液，測其吸光度計算脫色率。如圖3所示。

圖3 反應(yīng)時間對脫色率的影響

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)時間的增加，染料的脫色率隨之升高，在反應(yīng)時間少于3h時，脫色率隨反應(yīng)時間增大明顯，當(dāng)攪拌時間高于3小時后，染料的脫色率變化已經(jīng)不明顯。

3.1.4 溶液pH值對脫色率的影響

為了考察染料溶液的pH值對Fe2O3/凹凸棒土催化劑催化活性的影響，分別用0.1mol/L NaOH溶液和0.1mol/L HC1溶液將染料廢水的pH值調(diào)節(jié)為2.42，5.1，6.75，8.84 和 11.1，脫色率如圖 4所示。反應(yīng)條件:浸漬液濃度為0.2mol/L的催化劑，催化劑加入量為0.20g處理300mg/L的直接大紅50ml，通入流量為5L/min的空氣，反應(yīng)時間2h。測其吸光度，計算其脫色率。

圖4 溶液的pH值對脫色效率的影響

由圖4可見，溶液的pH值對催化劑的活性有明顯影響。染料溶液為酸性時的脫色率明顯高于堿性時的脫色率。但是溶液為酸性時對設(shè)備的腐蝕比較大，況且酸性的水也不能被環(huán)境所接受，也達不到污水排放的標(biāo)準(zhǔn)。因此處理廢水時還是在中性的條件下處理比較好。所以pH控制在為6-7之間。

3.1.5 染料初始濃度對脫色率的影響

當(dāng)直接大紅的初始濃度分別為100mg/L，200mg/L，300mg/L，400mg/L和500mg/L 時，反應(yīng)條件:浸漬液濃度為0.2mol/L的催化劑加入量為0.2g，處理不同濃度的直接大紅50ml，pH值控制在6-7之間，通入流量為5L/min的空氣，反應(yīng)時間2h，靜置后取上層溶液測其吸光度計算脫色率。如圖5所示。

圖5 染料初始濃度對脫色效率的影響

由圖5可知，染料的脫色率隨染料初始濃度的增大而減小，染料初始濃度為300mg/L時，脫色率為93%，當(dāng)染料初始濃度為500mg/L時，脫色率降為84%。

3.2 催化劑的表征

對于不同濃度的Fe(NO3)3浸漬液處理后的所制備的催化劑采用電鏡掃描觀察，選取的放大倍率為一萬倍(10K)，結(jié)果見圖6、圖7、圖8、圖9和圖10。

圖6 浸漬液濃度為0 mol/L的掃描電鏡圖

圖7 浸漬液濃度為0.05mol/L的掃描電鏡圖

圖8 浸漬液濃度為0.1mol/L的掃描電鏡圖

圖9 浸漬液濃度為0.2mol/L的掃描電鏡圖

圖10 浸漬液濃度為0.4mol/L的掃描電鏡圖

從掃描電鏡圖可以看出:凹凸棒土載體浸漬不同濃度Fe(NO3)3溶液時，凹土對于Fe2O3的負載量也不同，隨著濃度的增加，凹土對于Fe2O3的負載量也隨之增加，凹土表面的固體小顆粒增加，催化劑的活性組分表面積增加有利于染料液的脫色，脫色效果隨之增強。

4 結(jié)論

(1)浸漬法制備的負載型Fe2O3/凹凸棒土催化劑對直接大紅模擬印染廢水有較好的降解作用。

(2)Fe2O3/凹凸棒土催化劑對直接大紅模擬印染廢水較佳的處理條件為:Fe(NO3)3浸漬液濃度為0.2mol/L的催化劑，加入量0.2g，室溫下通5L/min的空氣3小時，pH值在6-7之間，處理300mg/L的直接大紅50ml，脫色率可達96.7%。

［1］趙宜江，張艷，嵇鳴，等.印染廢水吸附脫色技術(shù)的研究進展［J］.水處理技術(shù)，2000，26(6):315-319.

［2］戴日成，張統(tǒng).印染廢水水質(zhì)特征及處理綜述［J］.給水排水，2000，26(10):32-34.

［3］唐受印，汪大.廢水處理工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

［4］彭會清，許開.印染廢水處理現(xiàn)狀與進展［J］.四川紡織科技，2003，8(2):14-19.

［5］肖曄遠，史云鵬.濕式氧化處理污水的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］.工業(yè)用水與廢水，2001，32(6):5-8.

［6］嚴蓮荷，董岳剛，周申范.濕式催化氧化法在處理分散染料廢水中催化劑的選擇和實驗條件的優(yōu)化［J］.工業(yè)水處理，2000，20(11):22-24.

［7］徐媛媛，范雪榮，王強.凹凸棒土與活性炭對水溶性染料的吸附研究［J］.印染助劑，2007，24(6):31-33.

［8］張國生.凹凸棒石催化活性污泥法處理印染廢水的研究［J］.非金屬礦，1995(1):42-46.

［9］周雪，周偉.Fe2O3/凹凸棒土催化氧化處理印染廢水的研究［J］.廣州化工，2009，37(7):149-151.