Fe/活性炭非均相催化過硫酸鉀處理羅丹明B廢水

周 鑫， 孫 德 棟， 馬 紅 超， 馬 春

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

Fe/活性炭非均相催化過硫酸鉀處理羅丹明B廢水

周 鑫， 孫 德 棟， 馬 紅 超， 馬 春

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

采用老化-煅燒的方法制備Fe/活性炭(Fe/AC)催化劑，利用X射線衍射(XRD)對(duì)Fe/AC催化劑進(jìn)行了表征?？疾炝薋e/AC催化劑在非均相體系中催化過硫酸鹽對(duì)羅丹明B的脫色效果。通過考察催化劑煅燒溫度、硝酸鐵的浸泡量、體系中催化劑的投加量、K2S2O8的投加量、溫度、pH等確定體系的最佳條件，并對(duì)反應(yīng)體系中的自由基進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明，催化劑在0.6 mol/L硝酸鐵浸泡量、煅燒溫度為600 ℃時(shí)催化性能較佳；室溫時(shí)，當(dāng)Fe/AC催化劑投加量為1.5 g/L、K2S2O8投加量為0.6 g/L，在溶液初始pH的條件下，對(duì)羅丹明B處理2.5 h，脫色率達(dá)到80%；升高溫度有利于羅丹明B的脫色，65 ℃時(shí)羅丹明B的脫色率達(dá)99%。

活性炭；鐵；過硫酸鹽；羅丹明B；非均相催化

0 引 言

染料廢水因具有成分復(fù)雜、色度大、COD濃度高、毒性大、無機(jī)鹽含量高、可生化性差等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來染料廢水一直是廢水處理中難以克服的一個(gè)難題[1]。在當(dāng)今污水處理的工藝中，染料廢水一般通過物理工藝如凝聚、吸附或膜過濾的方式去除[2-3]。但物理方法不能徹底解決問題，所以染料廢水的降解問題日益受到人們的關(guān)注,基于硫酸根自由基的高級(jí)氧化劑技術(shù)逐漸發(fā)展。

過硫酸鹽被激活產(chǎn)生自由基的方法有紫外光、熱、過渡金屬等方法。傳統(tǒng)一般采取均相體系，過渡金屬以鹽的方式加入體系中，但此方法對(duì)溶液的pH要求嚴(yán)格，使反應(yīng)受到很大的局限。因此，非均相體系受到了廣泛關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)采用老化-煅燒的方法制備催化劑，在非均相體系中，應(yīng)用催化劑活化過硫酸鹽產(chǎn)生自由基對(duì)染料廢水進(jìn)行脫色。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

羅丹明B(AR)，過硫酸鉀，硝酸鐵，叔丁醇，98%硫酸，無水乙醇，鹽酸，氫氧化鈉，去離子水。

1.2 方 法

1.2.1 脫色率的測(cè)定

稱取100 mL配置好的100 mg/L羅丹明B，加入一定量的自制Fe/AC催化劑和過硫酸鉀，放入一定溫度的水浴鍋中恒溫?cái)嚢?，每隔一段時(shí)間取樣，將樣品離心后取上清液測(cè)定吸光度。

羅丹明B在波長(zhǎng)為554 nm處存在最大吸收峰，因此測(cè)定羅丹明B反應(yīng)后在此處的吸光度。

脫色率=(A0-At)/A0

(1)

式中：A0為羅丹明B初始時(shí)的吸光度；At為t時(shí)刻時(shí)取樣測(cè)得的吸光度。

1.2.2 Fe/AC催化劑的制備

活性炭首先在60 ℃烘箱中干燥24 h。取2 g處理后的活性炭加入20 mL 1.0 mol/L硝酸鐵，之后加入10 mL 50%的硫酸。將得到的混合物超聲2 h，將充分混合后的溶液放入60 ℃的水浴鍋中老化10 h，抽濾。將回收的殘余物放入具有氮?dú)獗Ｗo(hù)的高溫管式爐中，120 min內(nèi)升溫到600 ℃，并保持60 min。冷卻后，將固體物質(zhì)用去離子水清洗，將產(chǎn)物放入60 ℃烘箱中干燥24 h[4]。

由于活性炭易吸附空氣中的水分和其他物質(zhì)，制得的催化劑應(yīng)密封保存，否則對(duì)接下來的實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生不良影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe/AC催化劑的表征

2.1.1 XRD譜圖分析

如圖1所示，在衍射角(2θ)為30.19°、35.73°、43.25°、57.55°和63.03°處出現(xiàn)明顯的衍射峰，與標(biāo)準(zhǔn)卡片比對(duì)發(fā)現(xiàn)，此衍射峰為Fe3O4的特征衍射峰[5]，說明通過老化-煅燒方法制備的催化劑中的鐵以Fe3O4氧化物的形式負(fù)載在活性炭上(Fe/AC)。

圖1 活性炭和活性炭負(fù)載鐵的XRD圖

2.2 不同反應(yīng)條件對(duì)Fe/AC催化活性的影響

2.2.1 硝酸鐵浸泡量

室溫時(shí)，在羅丹明B的質(zhì)量濃度100 mg/L、K2S2O8質(zhì)量濃度0.6 g/L、Fe/AC投加量1.5 g/L、反應(yīng)2.5 h的條件下，考察不同濃度硝酸鐵浸泡制備的Fe/AC催化劑對(duì)羅丹明B脫色率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 硝酸鐵浸泡量對(duì)脫色率的影響

由圖2可以看出，當(dāng)硝酸鐵濃度從0.4 mol/L增加到1.0 mol/L時(shí)，羅丹明B的脫色率從67%增長(zhǎng)到80%。當(dāng)硝酸鐵濃度繼續(xù)增加，羅丹明B的脫色率出現(xiàn)降低趨勢(shì)，當(dāng)硝酸鐵的濃度達(dá)到1.4 mol/L 時(shí)其脫色率為66%。

(2)

2.2.2 煅燒溫度

如圖3所示，隨著煅燒溫度的升高，羅丹明B的脫色率有所增加，500、600、700 ℃脫色率分別為74%、78%和80%。當(dāng)煅燒溫度由600 ℃上升至700 ℃時(shí)，羅丹明B的脫色率提升不顯著。因此，確定Fe/AC催化劑制備煅燒溫度為600 ℃。

圖3 煅燒溫度對(duì)脫色率的影響

2.2.3 Fe/AC投加量

由圖4可知，隨著Fe/AC投加量增加，羅丹明B的脫色率增大。當(dāng)Fe/AC的投加量為1.5 g/L時(shí)，羅丹明B的脫色率達(dá)到80%。繼續(xù)增加催化劑的投加量，羅丹明B的脫色率增加不明顯。當(dāng)Fe/AC投加量增至2.0 g/L時(shí)，羅丹明B的脫色率增至82%；繼續(xù)增加Fe/AC投加量至2.5 g/L時(shí)，羅丹明B的脫色率增至84%，脫色效果增幅趨緩，因此確定Fe/AC的投加量為1.5 g/L。

圖4 Fe/AC投加量對(duì)脫色率的影響

2.2.4 K2S2O8投加量

由圖5可知，隨著K2S2O8投加量的增加，羅丹明B的脫色率逐漸增大，當(dāng)K2S2O8的投加量為0.6 g/L時(shí)，羅丹明B的脫色率達(dá)到82%，與0.4 g/L時(shí)的脫色率相比提升24%。當(dāng)K2S2O8投加量增加到1.0 g/L時(shí)，羅丹明B的脫色率增幅趨緩，因此確定K2S2O8投加量定為0.6 g/L。

圖5 K2S2O8投加量對(duì)脫色率的影響

2.2.5 初始pH

如圖6所示，在較寬pH范圍內(nèi)，羅丹明B都保持著較高的脫色率，且差別不大。當(dāng)初始溶液pH為11時(shí)，羅丹明B的脫色率從80%下降到49%。

圖6 初始pH對(duì)脫色率的影響

2.2.6 反應(yīng)溫度

如圖7所示，當(dāng)反應(yīng)溶液溫度升高時(shí)，羅丹明B的脫色率升高。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，羅丹明B的脫色率接近100%。

圖7 溫度對(duì)脫色率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)溶液溫度升高，羅丹明B的脫色率逐漸增大，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，F(xiàn)e/AC的活性增強(qiáng)，且二價(jià)鐵活化過硫酸鹽為吸熱反應(yīng)，促使脫色率升高[11]。此外，升溫也活化過硫酸鹽本身產(chǎn)生硫酸根自由基。

2.2.7 自由基

在其他物質(zhì)投加量不變的條件下，分別加入過量的叔丁醇和乙醇，結(jié)果如圖8所示。加入過量叔丁醇，羅丹明B的脫色率為69%；加入過量乙醇，羅丹明B的脫色率為48%。

圖8 自由基淬滅劑對(duì)脫色率的影響

3 結(jié) 論

采用老化-煅燒的方法制備Fe/AC催化劑，XRD結(jié)果顯示，鐵以氧化物的形式負(fù)載在活性炭上，并且當(dāng)硝酸鐵的浸泡量為0.6 mol/L、煅燒溫度為600 ℃時(shí)，催化劑的活性較佳。

在室溫時(shí)，F(xiàn)e/AC的投加量為1.5 g/L、K2S2O8投加量為0.6 g/L、初始pH的條件下，對(duì)100 mg/L羅丹明B進(jìn)行脫色，2.5 h后其脫色率可達(dá)80%；溫度升高能促進(jìn)羅丹明B的脫色，65 ℃ 時(shí)脫色率達(dá)99%。

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Decolorization of Rhodamine B wastewater by potassium persulfate with Fe-loaded activated carbon in heterogeneous system

ZHOU Xin, SUN Dedong, MA Hongchao, MA Chun

( School of Light Industry and Chemical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

The aging-calcination method was used to synthesis Fe/activated carbon (Fe/AC) catalyst and Fe/AC were characterized by X ray diffraction. The effect of Fe/AC catalyst with persulfate on the decolorization of Rhodamine B was investigated. Effects of calcination temperature, ferric nitrate concentration, Fe/AC dosage, persulfate dosage, reaction temperature and pH on the decolorization rate of Rhodamine B were determined. The results showed that the catalyst had better performance when the calcination temperature was 600 ℃ and the ferric nitrate concentration was 0.6 mol/L. The decolorization rate of Rhodamine B could reach to 80% when Fe/AC and K2S2O8dosage were 1.5 and 0.6 g/L in initial pH at room temperature for 2.5 h. The decolorization rate of Rhodamine B increased with the temperature, which could reach to 99% when the reaction temperature was 65 ℃.

activated carbon; iron; persulfate; Rhodamine B; heterogeneous catalysis

2015-11-04.

周 鑫(1990-)，女，碩士研究生；通信作者：孫德棟(1970-)，男，副教授.

X703

A

1674-1404(2017)02-0116-04

周鑫,孫德棟,馬紅超,馬春.Fe/活性炭非均相催化過硫酸鉀處理羅丹明B廢水[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(2):116-119.

ZHOU Xin, SUN Dedong, MA Hongchao, MA Chun. Decolorization of Rhodamine B wastewater by potassium persulfate with Fe-loaded activated carbon in heterogeneous system[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(2): 116-119.