微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝催化降解甲基橙廢水的研究*

張 悅 于 鵬 李 溪 劉志英 徐炎華

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210009)

印染行業(yè)的染料廢水處理是水污染控制領(lǐng)域的一大難題。偶氮類染料是一類重要的染料，在印染行業(yè)中使用量占一半以上[1]。但偶氮類染料廢水具有污染物濃度高、可生化性差、生物毒性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]，現(xiàn)有的常規(guī)生物處理工藝很難使廢水達(dá)到《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4287—2012)，并且在制備和降解過(guò)程中均易產(chǎn)生具有致癌性的芳香胺等中間產(chǎn)物[3]。其中，以甲基橙最為典型和常用。

微波—過(guò)氧化氫工藝是降解有機(jī)污染物的一種有效方法[4-6]。但該工藝需要過(guò)渡金屬作為催化劑，這是由于很多過(guò)渡金屬或其化合物對(duì)微波有很強(qiáng)的吸收能力，可將微波轉(zhuǎn)化為熱能，從而催化誘導(dǎo)氧化反應(yīng)的發(fā)生[7]。不少研究[8-9],[10]55-58,[11]都采用該工藝處理染料廢水，但普遍存在處理量小、微波能耗大、催化劑易溶出等問(wèn)題，不能達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用的要求。

本研究以5A分子篩為載體，在Fe單金屬催化劑的基礎(chǔ)上，摻雜具有較高活性的金屬Cu，制備了Cu/Fe雙金屬催化劑，用于微波—過(guò)氧化氫工藝催化降解典型偶氮類染料甲基橙，以期為微波—過(guò)氧化氫工藝的進(jìn)一步工業(yè)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)積累和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 超聲浸漬法制備催化劑

將20 g 5A分子篩破碎成40～60目作為載體，浸漬于25 mL金屬離子總摩爾濃度為2 mol/L的硝酸銅、硝酸鐵混合溶液中，Cu∶Fe(摩爾比)為6∶1，超聲振蕩1 h，105 ℃下干燥6 h后于馬弗爐中300 ℃焙燒2 h，即可制得Cu/Fe雙金屬催化劑。

Cu單金屬催化劑和Fe單金屬催化劑分別在硝酸銅和硝酸鐵摩爾濃度為2 mol/L的條件下制得，其他制備條件同Cu/Fe雙金屬催化劑。

1.2 催化劑的結(jié)構(gòu)分析

采用日本Hitachi公司的S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察催化劑的結(jié)構(gòu)，以期更好地解釋其催化機(jī)制，SEM掃描電壓為0.1～30.0 kV，分辨率為3.0 nm。

圖1 Cu/Fe雙金屬催化劑的SEM圖像Fig.1 SEM images of Cu/Fe composite catalyst

1.3 催化劑效果評(píng)價(jià)

取50 mL質(zhì)量濃度為100 mg/L的甲基橙廢水置于150 mL錐形瓶中，在一定的處理工藝條件下降解，冷卻后定容至50 mL。用日本島津公司的UV-2600型紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)于464.5 nm處測(cè)定甲基橙濃度。根據(jù)式(1)計(jì)算得到甲基橙的降解率。

(1)

式中：D為甲基橙的降解率，%；c0、c分別為甲基橙降解前后的質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果和討論

2.1 催化劑的結(jié)構(gòu)分析

采用SEM對(duì)Cu/Fe雙金屬催化劑進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，Cu/Fe雙金屬催化劑表面的晶體顆粒較細(xì)，分布均勻，且具有分子篩的孔道結(jié)構(gòu)。這是由于在Cu/Fe雙金屬催化劑的制備過(guò)程中采用了超聲浸漬法，在超聲波作用下，浸漬溶液中發(fā)生了“超聲空化”現(xiàn)象[12]，產(chǎn)生局部高溫高壓，同時(shí)伴隨強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，促進(jìn)了分子間的碰撞和聚集，強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程，大大提高了非均相反應(yīng)速率，因而促進(jìn)了Cu和Fe在分子篩表面的分散，提高了Cu和Fe在分子篩上的負(fù)載量。因此，以5A分子篩為載體，不僅可以為Cu和Fe的負(fù)載提供較高的比表面積，而且5A分子篩本身也具有一定的吸附能力，通過(guò)超聲浸漬法可進(jìn)一步提高Cu和Fe的負(fù)載量，因此Cu/Fe雙金屬催化劑的催化活性可大大提高。

2.2 處理工藝的選擇

在微波功率600 W，輻照時(shí)間6 min條件下，考察微波、微波—Cu/Fe雙金屬催化劑、微波—過(guò)氧化氫、微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫等不同處理工藝對(duì)甲基橙降解率的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 不同處理工藝對(duì)甲基橙降解率的影響

注：1)Cu/Fe雙金屬催化劑投加量為10 g/L；過(guò)氧化氫(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，下同)投加體積為1.0 mL。

由表1可知，單一微波工藝對(duì)甲基橙的降解率只有3.72%；添加Cu/Fe雙金屬催化劑或過(guò)氧化氫，可提高甲基橙的降解率，但提高幅度很??；微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝可大大提高對(duì)甲基橙的處理效果，降解率達(dá)到98.44%，這是因?yàn)檫^(guò)氧化氫需要在催化劑的作用下才能快速產(chǎn)生大量·OH，起到氧化分解水中甲基橙的作用[13]。

2.3 Cu和Fe的協(xié)同催化效應(yīng)研究

為考察Cu和Fe的協(xié)同催化效應(yīng)，分別采用5A分子篩、Fe單金屬催化劑、Cu單金屬催化劑和Cu/Fe雙金屬催化劑進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在催化劑投加量為10 g/L、過(guò)氧化氫投加體積為1.0 mL、微波功率為500 W、輻照時(shí)間為5 min的條件下，采用微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝對(duì)甲基橙廢水進(jìn)行處理，結(jié)果如表2所示。

表2 不同催化劑對(duì)甲基橙降解率的影響

由表2可知，5A分子篩對(duì)甲基橙的降解幾乎沒(méi)有效果，說(shuō)明5A分子篩沒(méi)有催化效果，可能僅有微弱的吸附作用。單金屬催化劑相比5A分子篩對(duì)甲基橙廢水的處理效果增強(qiáng)，這是由于金屬的摻入可以促進(jìn)·OH的生成。Cu/Fe雙金屬催化劑對(duì)甲基橙降解率大于兩種單金屬催化劑，說(shuō)明Cu和Fe具有協(xié)同催化效應(yīng)。據(jù)報(bào)道，當(dāng)Cu和Fe同時(shí)存在時(shí)，兩種金屬會(huì)與過(guò)氧化氫形成復(fù)雜的多核金屬配合物，有利于·OH的生成[14-15]。

2.4 Cu/Fe雙金屬催化劑投加量對(duì)降解效果的影響

在過(guò)氧化氫投加體積為1.0 mL、微波功率為500 W、輻照時(shí)間為5 min的條件下，采用微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝對(duì)甲基橙廢水進(jìn)行處理，考察Cu/Fe雙金屬催化劑投加量對(duì)甲基橙降解率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 Cu/Fe雙金屬催化劑投加量對(duì)甲基橙降解率的影響Fig.2 Effect of Cu/Fe composite catalyst dosage on methyl orange degradation efficiency

由圖2可知，當(dāng)催化劑投加量小于10 g/L時(shí)，隨著Cu/Fe雙金屬催化劑投加量的增加，甲基橙降解率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是因?yàn)榇呋瘎┩都恿吭蕉?，反?yīng)體系中能夠降解甲基橙的表面活性位點(diǎn)也就越多。但當(dāng)Cu/Fe雙金屬催化劑投加量達(dá)到10 g/L時(shí)，催化劑達(dá)到了飽和，繼續(xù)添加催化劑對(duì)甲基橙降解率的影響不大。從節(jié)約成本角度考慮，選用催化劑投加量10 g/L。

2.5 過(guò)氧化氫投加體積對(duì)降解效果的影響

在Cu/Fe雙金屬催化劑投加量為10 g/L、微波功率為500 W、輻照時(shí)間為5 min的條件下，采用微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝對(duì)甲基橙廢水進(jìn)行處理，考察過(guò)氧化氫投加體積對(duì)甲基橙降解率的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著過(guò)氧化氫投加體積的增大，甲基橙降解率迅速上升，當(dāng)過(guò)氧化氫投加體積增加到1.0 mL之后，降解率不再有明顯變化甚至略有下降。這是因?yàn)楫?dāng)過(guò)氧化氫投加體積較低時(shí)，隨著投加體積的增大，生成的·OH增多，所以降解率上升；當(dāng)過(guò)氧化氫投加體積過(guò)量后，瞬間產(chǎn)生的大量·OH會(huì)部分發(fā)生自聚合反應(yīng)又重新生成過(guò)氧化氫，且過(guò)氧化氫本身對(duì)·OH也有一定的清除作用，從而導(dǎo)致·OH的利用率降低[16-17]。故過(guò)氧化氫投加體積選擇1.0 mL。

圖3 過(guò)氧化氫投加體積對(duì)甲基橙降解率的影響Fig.3 Effect of H2O2 volume on methyl orange degradation efficicncy

2.6 微波功率對(duì)降解效果的影響

在Cu/Fe雙金屬催化劑投加量為10 g/L、過(guò)氧化氫投加體積為1.0 mL、輻照時(shí)間為6 min的條件下，采用微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝對(duì)甲基橙廢水進(jìn)行處理，考察微波功率對(duì)甲基橙降解率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 微波功率對(duì)甲基橙降解率的影響Fig.4 Effect of microwave power on methyl orange degradation efficiency

由圖4可知，微波功率為300～500 W時(shí)，甲基橙降解率迅速上升，繼續(xù)增大微波功率，降解率趨于穩(wěn)定，原因是隨著微波功率的增大，廢水中甲基橙分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，從而提高了分子間的碰撞概率，削弱了分子內(nèi)部的原子間鍵能[10]57；同時(shí)，反應(yīng)體系的溫度隨著微波功率的增大而升高，促使過(guò)氧化氫分解生成更多·OH。但當(dāng)微波功率增大到使溶液沸騰后，繼續(xù)增大微波功率不能使廢水溫度繼續(xù)升高，因此甲基橙的降解率也不再上升。從節(jié)約能源角度考慮，選用微波功率為500 W。

2.7 輻照時(shí)間對(duì)降解效果的影響

在Cu/Fe雙金屬催化劑投加量為10 g/L、過(guò)氧化氫投加體積為1.0 mL、微波功率為500 W的條件下，采用微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝對(duì)甲基橙廢水進(jìn)行處理，考察輻照時(shí)間對(duì)甲基橙降解率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 輻照時(shí)間對(duì)甲基橙降解率的影響Fig.5 Effect of irradiation time on methyl orange degradation efficiency

由圖5可知，甲基橙降解率隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，但是在輻照時(shí)間超過(guò)5 min之后，降解率趨于穩(wěn)定。這是由于反應(yīng)初期生成的大量·OH能夠迅速氧化有機(jī)物分子，5 min即能達(dá)到平衡，反應(yīng)平衡后降解率最大可達(dá)到98.94%，可見(jiàn)采用微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝處理甲基橙廢水的降解速率非?？臁Ｒ虼?，輻照時(shí)間選擇5 min。

3 結(jié) 論

(1) 5A分子篩負(fù)載金屬Cu、Fe后可大大提高對(duì)甲基橙有機(jī)廢水的催化降解效果。與Fe單金屬催化劑和Cu單金屬催化劑相比，Cu/Fe雙金屬催化劑的Cu和Fe具有協(xié)同催化效應(yīng)。

(2) 采用微波—Cu/Fe雙金屬催化劑—過(guò)氧化氫工藝處理50 mL質(zhì)量濃度為100 mg/L的甲基橙廢水，最佳工藝條件為Cu/Fe雙金屬催化劑投加量10 g/L、過(guò)氧化氫投加體積1.0 mL、微波功率500 W、輻照時(shí)間5 min，甲基橙降解率最大可達(dá)98.94%。

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