高鐵酸鉀降解鉻黑T和鉻藍(lán)黑R的研究

李金蓮，張紅梅，孫蘭蘭，陳彥廣

(1.東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油天然氣第七建設(shè)公司，山東 青島 266061)

印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性大、水質(zhì)變化大、有毒等特點，屬難處理的工業(yè)廢水[1-2]。偶氮染料是染料工業(yè)所用合成有機染料中最主要的一種，約占當(dāng)今所用染料一半，在染料廢水中含量極大。到目前為止，染料廢水的脫色問題一直沒有得到較為有效的處理。高鐵酸鹽具有氧化、吸附和絮凝的多種功能，是一種新型的綠色環(huán)保水處理劑[3-5]。近年來，高鐵酸鹽在染料廢水處理中被廣泛的應(yīng)用。吳志敏等[6]在常溫下采用高鐵酸鉀(K2FeO4)降解50 mg/L酸性紅B，高鐵酸鉀用量70 mg/L，pH=6～10條件下，色度去除率可達(dá)100%。高鐵酸鉀具有明顯的脫色效果，但應(yīng)用于偶氮染料鉻黑T和鉻藍(lán)黑R廢水的處理報道較少。因此，作者采用高鐵酸鉀氧化處理鉻黑T和鉻藍(lán)黑R模擬染料廢水，考察高鐵酸鉀用量、溫度和染料濃度對脫色效果的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鉻黑T：分析純,天津市化學(xué)試劑一廠；鉻藍(lán)黑R：分析純，北京化工廠；高鐵酸鉀：質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，自制。

722光柵分光光度計：山東高密分析儀器廠；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；AL104電子天平：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.2 分析方法

染料濃度在最大吸收波長下進(jìn)行測定(鉻藍(lán)黑R和鉻黑T的最大吸收波長分別為520 nm和540 nm)，對質(zhì)量濃度作標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，待測溶液用內(nèi)插法確定質(zhì)量濃度，由質(zhì)量濃度變化計算染料的脫色率。染料脫色率由式(1)計算。

(1)

式中，x-脫色率；ρ0，ρt-反應(yīng)前后染料的質(zhì)量濃度。

1.3 高鐵酸鉀氧化實驗

取一定量的染料，用蒸餾水配制成模擬染料廢水。取100 mL模擬染料廢水置于500 mL燒杯中，將燒杯置于放有溫控探頭的水浴容器中，恒定溫度下加入高鐵酸鉀進(jìn)行氧化降解。反應(yīng)過程中每隔一定時間取樣分析染料的吸光度，并計算其殘余質(zhì)量濃度，以此計算染料的脫色率。

2 結(jié)果與討論

2.1 高鐵酸鉀用量的影響

以100 mg/L鉻黑T和鉻藍(lán)黑R廢水為反應(yīng)液，恒溫20 ℃，考察高鐵酸鉀用量對鉻黑T和鉻藍(lán)黑R脫色率的影響，見圖1和圖2。

由圖1和圖2可以看出，反應(yīng)20 min后脫色率變化趨于穩(wěn)定。這是因為高鐵酸鉀具有強氧化性，短時間就可迅速氧化，達(dá)到較好脫色效果。隨著高鐵酸鉀投加量的增加，鉻黑T和鉻藍(lán)黑R的脫色率先增大后減小。

t/min圖1 高鐵酸鉀用量對鉻黑T脫色率的影響

t/min圖2 高鐵酸鉀用量對鉻藍(lán)黑R脫色率的影響

這是因為高鐵酸鉀的氧化性與其投加量有關(guān)，在一定范圍內(nèi)高鐵酸鉀投加量增加，氧化性增大，脫色率增大；當(dāng)高鐵酸鉀投加量過高時，高鐵酸鉀在溶液中的濃度增加，穩(wěn)定性下降；另外高鐵酸鉀投加量增加溶液顯堿性，高鐵酸鉀的氧化電位下降，均導(dǎo)致高鐵酸鉀氧化性降低，所以脫色率不再增大。實驗結(jié)果表明高鐵酸鉀降解鉻黑T的最佳投加量為150 mg/L，脫色率為87.2%；采用高鐵酸鉀降解鉻藍(lán)黑R，最佳投加量200 mg/L，脫色率為92.4%。

2.2 反應(yīng)溫度的影響

以100 mg/L鉻黑T和鉻藍(lán)黑R廢水為反應(yīng)溶液，高鐵酸鉀用量分別為150 mg/L和200 mg/L，考察反應(yīng)溫度對脫色率的影響，見圖3和圖4。

由圖3和圖4可以看出，提高反應(yīng)溫度，脫色率穩(wěn)定增加。這是因為提高反應(yīng)溫度，分子活性增強，所以相同高鐵酸鉀投加量，脫色率隨溫度增加而增大。但是溫度過高，高鐵酸鉀因熱穩(wěn)定性下降而發(fā)生分解[7]，氧化性下降，脫色率減小。提高反應(yīng)溫度，一方面分子熱運動加快，分子碰撞頻率增高，活化分子數(shù)增多，參與反應(yīng)的有效分子數(shù)增多，所以適當(dāng)?shù)奶岣叻磻?yīng)溫度，脫色率增大。當(dāng)溫度過高，高鐵酸鉀因穩(wěn)定性下降而發(fā)生分解，氧化能力反而降低。實驗結(jié)果表明鉻黑T和鉻藍(lán)黑R最佳反應(yīng)溫度均為20 ℃。

t/min圖3 反應(yīng)溫度對鉻黑T脫色率的影響

t/min圖4 反應(yīng)溫度對鉻藍(lán)黑R脫色率的影響

2.3 染料質(zhì)量濃度的影響

通過高鐵酸鉀降解100 mg/L鉻黑T的最佳投加量(150 mg/L)確定m(高鐵酸鉀)∶m(與鉻黑T)=1.5∶1，恒溫20 ℃，考察鉻黑T濃度(20～100 mg/L)變化對脫色率的影響，見圖5。

t/min圖5 染料濃度對鉻黑T脫色率的影響

通過高鐵酸鉀降解100 mg/L鉻藍(lán)黑R的最佳投加量(200 mg/L)確定m(高鐵酸鉀)∶m(鉻藍(lán)黑R)=2∶1，恒溫20 ℃，考察鉻藍(lán)黑R質(zhì)量濃度(20～100 mg/L)變化對脫色率的影響，見圖6。

t/min圖6 染料濃度對鉻藍(lán)黑R脫色率的影響

由圖5和圖6可以看出，當(dāng)高鐵酸鉀與染料質(zhì)量比一定的條件下，染料質(zhì)量濃度對鉻黑T和鉻藍(lán)黑R脫色率影響較小，均可達(dá)到87%以上。這是因為高鐵酸鉀在反應(yīng)過程中Fe(VI)能被還原為Fe(V)和Fe(IV)，而Fe(V)和Fe(IV)的氧化能力更強，其與污染物質(zhì)的反應(yīng)速率比Fe(VI)快3～5個數(shù)量級[8]，其較強的氧化性能較容易地使鉻黑T和鉻藍(lán)黑R的發(fā)色基團發(fā)生斷裂而達(dá)到脫色的目的。

3 結(jié) 論

(1) 高鐵酸鉀降解100 mg/L鉻黑T和鉻藍(lán)黑R時，氧化劑最佳用量分別為150 mg/L和200 mg/L；最佳降解溫度均為20 ℃。

(2) 當(dāng)染料質(zhì)量濃度低于100 mg/L時，改變?nèi)玖蠞舛龋玖厦撋示蛇_(dá)到87%以上。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 孟范平, 易懷昌.各種吸附材料在印染廢水處理中的應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，2009，23(7)：69-73.

[2] 相龍玲，張雷，王德英.Ni、B共摻雜TiO2-陶粒光催化工業(yè)用水與廢水降解染料廢水研究[J].工業(yè)用水與廢水，2011，42(6)：63-66，74.

[3] Jia-Qian Jiang，Alex Panagoulopoulos，Mike Bauer，et al.The application of potassium ferrate for sewage treatment[J].Journal of Environmental Management，2006，79(2)：215-220.

[4] Ma Jun，Liu W.Effectiveness and mechanism of potassium ferrate(VI) preoxidation for algae removal by coagulation[J].Water Res,2002，36(4)：871-878.

[5] Yong Yong Eng，Virender K Sharma，Ajay K Ray.Ferrate(VI)：green chemistry oxidant for degradation of cationic surfactant[J].Chemosphere，2006，63(10)：1785-1790.

[6] 吳志敏，賴經(jīng)妹，張麗.偶氮染料的高鐵酸鉀脫色及動力學(xué)研究[J].印染助劑，2010，27(7)：24-26.

[7] 宋華，王園園.高鐵酸鉀在中性、酸性介質(zhì)中的穩(wěn)定性[J].化學(xué)通報，2008(9)：696-700.

[8] Rush J D，Zhao Z，Bielski B H J.Reaction of ferrate(VI)/Ferrate(V) with hydrogen peroxide and superoxidize anion：a stopped-flow and premix pulse radiolysis study[J].Free Radical Research，1996，24(3)：187-198.