改性活性碳纖維電芬頓降解活性艷紅X-3B

周彩霞，尚秀麗

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石油化學(xué)工程系，甘肅 蘭州 730060)

改性活性碳纖維電芬頓降解活性艷紅X-3B

周彩霞，尚秀麗*

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化學(xué)工程系，甘肅蘭州730060)

以石墨為陽極,改性活性炭纖維(ACF)為陰極, 采用電芬頓法降解活性艷紅X-3B染料廢水模擬廢水。研究了Fe2+濃度、pH值、電流密度對染料脫色率的影響，結(jié)果表明：陰極電芬頓法對活性艷紅X-3B染料廢水具有有較高的去除率,在最佳反應(yīng)條件Fe2+投加量為1mmol/L , pH值為3.0，電流密度為7.5mA/cm2，反應(yīng)時間為60min時，染料的脫色率可以達(dá)到97.6%。

電芬頓；活性炭纖維； 偶氮染料；活性艷紅X-3B

隨著紡織工業(yè)的迅速發(fā)展, 印染廢水已經(jīng)成為水系環(huán)境污染的重要來源。目前，超過50%的染料是包含氮氮雙鍵的偶氮染料[1]，然而，偶氮染料廢水具有毒性、致癌性等特點(diǎn)，如果不經(jīng)過處理直接排放，會對人體和水生生物造成嚴(yán)重的危害[2]。活性艷紅X-3B是偶氮染料中具有代表性的一種，它廣泛用于棉、滌棉和滌棉混紡織物的染色[3]。傳統(tǒng)的污水處理方法不能完全降解廢水中的有機(jī)污染物且產(chǎn)生大量的污泥,造成二次污染[4]。電芬頓法是目前研究較廣泛的一種高級氧化技術(shù)[5-6]。與傳統(tǒng)芬頓法相比，電芬頓氧化法的優(yōu)點(diǎn)是原位產(chǎn)生H2O2，避免運(yùn)輸和存儲風(fēng)險，提供更安全的操作環(huán)境[7]。ACF具有比表面積大，微孔豐富，能有效吸附有機(jī)物和陰陽離子等特點(diǎn)，是一種比較理想的陰極電極材料[8]。本文以改性活性碳纖維為陰極，采用電芬頓法降解活性艷紅x-3B模擬廢水，研究了Fe2+投加量、pH值、電流密度等反應(yīng)條件對染料脫色率和溶液COD的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 儀器與試劑

活性艷紅X-3B，工業(yè)級，上海佳英化工有限公司；活性碳纖維(ACF)，由江蘇蘇通碳纖維有限公司提供；其他試劑均為分析純，購于天津大茂化學(xué)試劑廠。

COD 快速測定儀(連華5B-3B(V8) 多參數(shù)水質(zhì)測定儀)，島津UV-1800紫外-可見分光光度計，用于檢測活性艷紅X-3B的濃度。

1.2 活性碳纖維的改性[8]

將AFC先用蒸餾水洗滌、浸泡、烘干后備用。用10mL濃度為8.5mol/L的H3PO4溶液在60℃的恒溫水浴中加熱6h,取出后水洗至中性，放入105℃的烘箱中干燥10h。

1.3 反應(yīng)裝置及實(shí)驗(yàn)過程

以石墨為陽極、飽和甘汞電極為參比電極、改性活性碳纖維為陰極；其實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。以0.05mol/L的Na2SO4作為支持電解質(zhì)，取200mg/L的活性艷紅X-3B模擬染料廢水400mL，調(diào)節(jié)溶液的pH值，并在陰極以一定的速率通入空氣，通電時陰極將產(chǎn)生過氧化氫(H2O2)，如反應(yīng)(1)所示[9]。

(1)

在電解反應(yīng)過程中, 向反應(yīng)體系投加一定量的Fe2SO4, 溶液中亞鐵離子(Fe2+)與過氧化氫反應(yīng)生成強(qiáng)氧化劑羥基自由基(·OH)，同時得到Fe3+, 如反應(yīng)(2)所示[10]。

(2)

(·OH)與廢水中的有機(jī)污染物如溶解性活性染料反應(yīng), 使其氧化分解為二氧化碳、水和無機(jī)離子，如反應(yīng)(3)。

(3)

1.恒電位儀;2. 攪拌器;3.電解池;4.空氣泵;5.曝氣頭;6.輔助電極;7.工作電極;8.參比電極

1.4 分析方法

采用紫外-可見分光光度計測定溶液在538nm處的吸光度值來計算活性艷紅X-3B溶液的脫色率，計算公式如式(4)：

脫色率=(1-At/A0) ×100%

(4)

式中：A0為初始吸光度，At為在反應(yīng)t時間的吸光度。

用COD 快速測定儀測定溶液的CODCr，COD去除率的計算公式如式(5)：

COD去除率=(1-CODt/COD0)×100%

(5)

式中COD0和CODt分別表示染料廢水初始的COD值和反應(yīng)t時刻的COD值。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時間對活性艷紅X-3B脫色率和COD的影響

以50 mmol/L 的Na2SO4溶液為電解質(zhì)，將濃度為200mg/L的活性艷紅溶液400mL加入到電解池中，再加入0.5mmol/L FeSO4,調(diào)節(jié)溶液pH值=3，在陰極通入空氣電解60 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 活性艷紅X3B的脫色率和COD 去除率隨時間的變化

從圖2可以看出，活性艷紅的COD去除率和脫色率均隨降解時間的延長而增大。在電解50 min時，COD的去除率和脫色率分別達(dá)到41.2%和92.6%。隨著時間延長，活性艷紅的脫色率基本保持不變。同時，我們發(fā)現(xiàn)，在同一時間點(diǎn)上， COD去除率明顯低于其脫色率，這是因?yàn)榱u基自由基，首先使染料的發(fā)色基團(tuán)(偶氮鍵)斷裂，導(dǎo)致脫色，而COD的去除則需要破壞其含有的芳香環(huán)。

2.2 Fe2+投加量對染料去除效果的影響

圖3 Fe2+投加量對活性艷紅X-3B溶液脫色率的影響

根據(jù)反應(yīng)方程式(2)，電芬頓反應(yīng)中Fe2+濃度決定著體系中羥基自由基的數(shù)量，對整個反應(yīng)起決定性的作用。圖3為投加不同濃度Fe2+的情況下，活性艷紅X-3B模擬染料廢水脫色率的變化曲線。從圖可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，染料的脫色率不斷增大且增大幅度逐漸變小。Fe2+投加量對染料的脫色率變化亦有影響，當(dāng)Fe2+濃度由0.2mmol/L增加到1mmol/L時,染料脫色率隨Fe2+濃度的升高而升高，這說明在陰極電芬頓反應(yīng)中, Fe2+的催化作用非常明顯,可以促進(jìn)·OH 的產(chǎn)生, 從而使染料的脫色率得到提高。而當(dāng)Fe2+濃度大于1mmol/L時，染料脫色率隨著Fe2+濃度的升高反而下降。這主要是由于體系中Fe2+濃度過高對H2O2的消耗過多,自身被氧化為Fe3+,不利于羥基自由基的產(chǎn)生， 導(dǎo)致染料脫色率降低。

2.3 pH值對染料去除效果的影響

為了考察pH值對染料去除效果的影響，取200mg/L的活性艷紅溶液400mL為底物，加入0.5mmol/L FeSO4,調(diào)節(jié)溶液pH值=2、3、4、7，在室溫下電解60 min，染料的脫色率和pH值的變化曲線如圖4所示。

圖4 pH值對活性艷紅X-3B溶液脫色效果的影響

從圖4可以看出，隨著pH值的升高，染料的脫色率先升高后降低，電芬頓反應(yīng)在pH值=3時效果最佳，染料的脫色率可以達(dá)到97.2%。當(dāng)溶液中的H+濃度過高時會發(fā)生析氫反應(yīng)。當(dāng)H+濃度過少時, 陰極生成H2O2的反應(yīng)不能進(jìn)行, 同時投加到電解體系中的Fe2+會隨著pH值的變化而發(fā)生形態(tài)的變化，F(xiàn)e2+氧化成的Fe3+與OH-離子反應(yīng)生成氫氧化物沉淀而失去催化活性。

3 結(jié)論

(1)陰極電芬頓氧化法能夠高效地分解活性艷紅X-3B結(jié)構(gòu)中偶氮鍵和萘環(huán)，提高廢水的可生化性， 該方法在處理難降解廢水時，具有快捷、經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)，在工程實(shí)際中具有很好的推廣價值。

(2)以ACF為陰極的電芬頓法處理活性艷紅X-3B, 反應(yīng)的最佳條件為：pH值為3，F(xiàn)eSO4投加量為1mmol/L，反應(yīng)時間為60min時，染料的最大脫色率為97.6%。

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(本文文獻(xiàn)格式：周彩霞，尚秀麗.改性活性碳纖維電芬頓降解活性艷紅X-3B[J].山東化工，2017，46(16)：185-187.)

Modification of Activated Carbon Fiber for Electro-Fenton Degradation of Reactive Brilliant Red X-3B

Zhou Caixia, Shang Xiuli*

(Department of Petrochemical Engineering，Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology，Lanzhou 730060，China)

The electro- Fenton degradation was designed to treat the reactive brilliant red X-3B simulated wastewater with the graphite as anode and activated carbon fiber as cathode. The effect of the concentration of Fe2+, pH and current density for the decolorization rate of dye was examined. The results shows that it has a higher removal rate of the reactive brilliant red X-3B wastewater by cathode electro-Fenton method . The largest decolorization rate of dye can reach 97.6 % under the optimized conditions , when the dosage of Fe2+is 1mmol/ L, pH=3 and current density 7. 5mA/cm2.

electro-Fenton; activeted carbon fiber；azo dyes; reactive brilliant red X-3B

X703

：A

：1008-021X(2017)16-0185-03

2017-06-04

甘肅省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(2015B-150)；甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2015A-183)

周彩霞(1965—)，女，甘肅 蘭州，講師， 主要從事無機(jī)材料的開發(fā)與應(yīng)用。