鐵碳微電解處理水中堿性嫩黃O的研究

(合肥工業(yè)大學(xué) 安徽 合肥 230009)

一、概述

水是人類生活和生產(chǎn)活動中不可缺少的寶貴資源，隨著人類社會用水量的大幅度增加，水資源量短缺現(xiàn)象十分嚴(yán)重，水資源供需矛盾日益突出。目前全世界有很多國家都存在著嚴(yán)重的水資源危機(jī)，我國就是一個水資源匱乏的國家。染料是指直接或通過某些媒介物質(zhì)和纖維發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)而將纖維或其他基質(zhì)染成一定顏色的有機(jī)物。染料機(jī)理簡單說來是先將染料制成水溶液、有機(jī)溶液、懸浮液等染液，當(dāng)染液對纖維進(jìn)行染色時，染料分子通過吸附、擴(kuò)散以及一系列其它化學(xué)或物理化學(xué)的作用，從染液轉(zhuǎn)移到纖維等被染物上，使其著色。按照染料的應(yīng)用性質(zhì)可以將染料分為直接染料、酸性染料、陽離子染料、活性染料、分散染料、硫化染料和縮聚染料等。堿性染料主要應(yīng)用于腈綸染色，具有色澤鮮艷，色譜齊全，染色牢度較高的優(yōu)點(diǎn)，是最早合成的一類染料，因其在水中溶解后帶陽電荷，故又稱陽離子染料[1]。染料廢水具有高濃度、高色度、高pH、難降解、多變化等特點(diǎn)[2]。是世界范圍內(nèi)難處理的工業(yè)廢水之一。目前，世界上染料的種類有2000多種。我國是世界染料產(chǎn)量第一大國，2016年我國總共生產(chǎn)了92.8萬噸染料，占世界染料總產(chǎn)量的70%以上[3]。染料廢水的處理一直是我國污水處理關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，特別是含有機(jī)染料(如堿性嫩黃O)污水具有分布面廣、水量大、色度高、高COD、水質(zhì)變化大、有機(jī)毒物含量高、可生化性差、成分復(fù)雜以及難降解等特點(diǎn)，是我國水環(huán)境中主要污染物之一。

鐵碳微電解技術(shù)是以提高廢水的可生化性為主要目的的有機(jī)廢水預(yù)處理工藝。鐵碳微電解法又叫內(nèi)電解法，主要利用金屬與惰性碳形成原電池還原降解污染物。鐵炭內(nèi)電解法是基于化學(xué)原理，將兩種具有不同電極電位的金屬或金屬和非金屬直接接觸在一起，浸沒在傳導(dǎo)性的電解質(zhì)溶液中，形成原電池，利用其周圍形成的電場效應(yīng)，使溶液中的膠體粒子向相反電荷的電極移動,進(jìn)行凝聚并沉積到電極上，同時電極反應(yīng)生成的產(chǎn)物能與溶液中的許多物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到去除污染物的目的[4]。具有適用范圍廣、成本低廉、處理效果好、材料簡便易得、占地面積小、裝置易于定型和工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。染料廢水中的有機(jī)組分大多以芳烴及雜環(huán)化合物為母體，并帶有顯色基團(tuán)(如-N=N-，-N=0)及極性基團(tuán)(如-S03Na、-OH、-NH2)[5]。鐵碳微電解工藝可以有效地降解這些多環(huán)芳烴類物質(zhì)，將它們分解為容易被微生物所利用和吸收的有機(jī)物。另外，由于利用焦炭、廢鐵屑等為原料，該技術(shù)的電力消耗量小，具有“以廢治廢”的實際意義[6]。

二、染料性質(zhì)

堿性嫩黃O分子結(jié)構(gòu)式如下：

圖1 堿性嫩黃O分子結(jié)構(gòu)式

物化性質(zhì)[7]：堿性嫩黃O(Auramine O)黃色粉末，分子量為303.83，分子式為C17H22ClN3，溶于冷水，易溶于熱水為艷黃色，在沸騰的水中分解，溶于乙醇為黃色，在濃硫酸中無色，稀釋后變?yōu)榈S色，在濃硝酸中呈橙色，在水溶液中加鹽酸轉(zhuǎn)成深黃色，加熱至沸即無色，在蠶絲纖維上呈艷黃色，在鎢絲燈下較紅。

用途：用于蠶絲，腈綸，單寧媒染棉的染色，也可以用于皮革，紙張，麻和黏膠的染色，直接印花和底色撥染印花，還可以用于油，脂肪和涂料的著色，也可以用于制備色淀用于油墨。

本文研究了鐵碳微電解法處理堿性嫩黃O染料廢水的反應(yīng)機(jī)理，并進(jìn)行單因素實驗，探究廢水初始pH值、鐵屑投加量、鐵碳質(zhì)量比以及反應(yīng)時間四個主要因素對微電解反應(yīng)降解堿性嫩黃O的效果的影響，并確定反應(yīng)的最佳條件。

三、實驗部分

(一)實驗試劑和儀器

本實驗所用藥品主要有：鐵屑、活性炭、鹽酸、氫氧化鈉、堿性嫩黃O(C17H22ClN3)、精密pH試紙。

實驗所用主要儀器的型號及生產(chǎn)廠家見表1。

表1 實驗儀器

(二)實驗材料的預(yù)處理

鐵屑：由于鐵的表面容易在空氣中氧化形成氧化層,所以在使用前需要活化。將其浸泡在5%NaOH溶液中l(wèi)O分鐘，以除去鐵屑表面的油分，而后用蒸餾水洗凈備用。使用時先用10%的稀H2SO4浸泡10min，除掉表面的氧化物，用清水沖洗干凈后待用，剩余鑄鐵屑盛于燒杯中用水浸泡，防止鐵屑生銹。

活性炭：為了減少活性炭的吸附作用對本實驗的干擾，需在實驗前對活性炭進(jìn)行預(yù)處理。將活性炭用蒸餾水沖洗干凈后放入染料廢水中浸泡24小時，使活性炭與廢水充分接觸，達(dá)到吸附飽和，盡量減少活性炭吸附的干擾。然后晾干備用。

實驗水樣的配置：考慮到實際生產(chǎn)中染料廢水成分復(fù)雜，實驗結(jié)果會受到其它有機(jī)成分的干擾，影響理論上的降解效果，不便于實驗的探索研究。所以本實驗選用實驗室自配的染料廢水，成分單一，雜質(zhì)較少，有助于降解產(chǎn)物的分析和降解歷程的探討。稱取1g染料溶于1L蒸餾水中，配成濃度為1000mg/L的染料廢水。

(三)脫色率的測定

1.堿性嫩黃O的標(biāo)準(zhǔn)曲線

用紫外—可見吸收光譜儀對1000mg/L的染料標(biāo)準(zhǔn)儲備液進(jìn)行掃描，測得堿性嫩黃O的最大吸收波長為430nm，用分光光度計在最大可見吸收波長430nm處測定其吸光度，以染料濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制吸光度—濃度曲線。圖2為堿性嫩黃O吸光度—濃度曲線。堿性嫩黃O的標(biāo)準(zhǔn)曲線為：y=0.1001x+0.0127，R2=0.9998，在0～9mg/L濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

圖2 堿性嫩黃O含量標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.堿性嫩黃O的脫色率

由圖2知，在0～9mg/L濃度范圍內(nèi)，C與A呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。測定吸光度值，通過計算可以獲得染料的脫色率：

式中：A0—處理前水樣在最大吸收波長處的吸光度；

A—處理后水樣在最大吸收波長處的吸光度；

C0—處理前廢水中堿性嫩黃O含量，mg/L；

C—處理前廢水中堿性嫩黃O含量，mg/L。

四、結(jié)果與討論

(一)pH對脫色率的影響

取7個500mL燒杯，分別加入300mL配制好的堿性嫩黃O染料廢水，加入4g鐵屑及4g活性碳，然后將每組水樣的pH值分別調(diào)至1，2，3，4，5，6，7，并用攪拌器以200r/min的轉(zhuǎn)速攪拌。攪拌時間為120分鐘，攪拌結(jié)束后取下燒杯，把水樣的pH值調(diào)到弱堿性后靜置沉降。沉降后的上清液用中速濾紙過濾，然后分別測定處理后水樣的脫色率。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH值對脫色率的影響

由圖3可以看出，當(dāng)pH<3時，脫色率隨pH值的增加而升高，當(dāng)pH>3時，脫色率隨pH值的增加而降低。這是因為當(dāng)pH值較低時，氧的電極電位較高，微電解的電位差變大，從而促進(jìn)電極反應(yīng)。

(二)鐵屑投加量對脫色率的影響

取7個500mL燒杯，分別加入300mL配制好的堿性嫩黃O染料廢水，調(diào)節(jié)pH為3，定量投加活性碳4g后，依次向每組水樣中投加3、3.5、4、4.5、5、5.5、6g鐵屑。并用攪拌器以200r/min的轉(zhuǎn)速攪拌。攪拌時間為120分鐘，攪拌后取下燒杯，將水樣的pH值調(diào)到弱堿性后靜置沉降。取沉降后的上清液過濾，然后分別測定處理后水樣的脫色率。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 鐵屑投加量對脫色率的影響

由圖4可以看出，堿性嫩黃O染料的脫色率隨鐵屑投加量的增大而先增大后減小。當(dāng)鐵屑的投加量為5g時脫色率達(dá)到最大值。當(dāng)鐵屑和活性碳在與染料進(jìn)行反應(yīng)時，經(jīng)過充分?jǐn)嚢柚笮纬傻臒o數(shù)“微電池”使鐵發(fā)生快速氧化，從而在鐵屑表面形成鐵的氧化物，使鐵屑表面處于活化狀態(tài)并參與染料脫色。當(dāng)鐵屑投加量小于5g時，由于鐵的加入量不足，使鐵碳微電池數(shù)量很少，處理效果不好；在鐵屑投加量大于5.0g時，雖然鐵量增大了，但鐵碳顆粒之間相互發(fā)生堆積，使鐵碳電極的有效面積減少，從而間接地減少了鐵碳微電池的數(shù)量，影響處理效果。

(三)鐵碳質(zhì)量比對脫色率的影響

取6個500mL燒杯，分別加入300mL配制好的堿性嫩黃O染料廢水，調(diào)節(jié)pH值為3，向廢水中分別加入5g鐵屑，控制鐵碳比為1：0.7、1：0.8、1：0.9、1：1.0、1：1.1、1：1.2，即改變活性碳的加入量為3.5、4、4.5、5、5.5、6g。并用攪拌器以200r/min的轉(zhuǎn)速攪拌。攪拌時間為120分鐘，攪拌后取下燒杯，將水樣的pH值調(diào)到弱堿性后靜置沉降。取沉降后的上清液過濾，然后分別測定處理后水樣的脫色率。實驗結(jié)果圖5所示。

圖5 活性炭投加量對脫色率的影響

由圖5可以看出，固定鐵屑投加量為5g，改變投加鐵碳比，堿性嫩黃O染料的脫色率隨活性碳投加量的增加先增加后降低。當(dāng)活性炭投加量為4g，即鐵碳比為1:0.8時，脫色率達(dá)到最大，為69.75%。鐵屑和活性碳分別構(gòu)成原電池的陰極和陽極。在配比合理，且混合均勻的條件下，兩者有較大的有效接觸面積，會形成數(shù)目較多的原電池，可以有效分解難降解的有機(jī)物。如果鐵碳配比不合理，過大或過小都不能完全氧化分解廢水中的難降解的有機(jī)物。當(dāng)碳的投加量過少時，原電池數(shù)量不夠，導(dǎo)致去除率下降；碳的投加量過大反而會抑制原電池的反應(yīng)，從而導(dǎo)致去除率也跟著下降。

(四)反應(yīng)時間對脫色率的影響

取6個500mL燒杯，分別加入300mL配制好的堿性嫩黃O染料廢水，調(diào)節(jié)pH值為3，再向模擬水樣中分別加入5g鐵屑，控制鐵碳比為1：0.8。并用攪拌器以200r/min的轉(zhuǎn)速攪拌，控制反應(yīng)時間分別為30min、60min、90min、120min、150min、180min。攪拌后將燒杯取下，調(diào)節(jié)水樣的pH值為弱堿性后靜置沉降，取沉降后的上清液過濾，然后分別測定處理后水樣的脫色率。實驗結(jié)果圖6所示。

圖6 反應(yīng)時間對脫色率的影響

從圖6可以看出，脫色率隨著反應(yīng)時間的增加而先增加后趨于穩(wěn)定，在120min后基本保持不變。脫色率的增高，一方面是由于反應(yīng)剛開始時碳粒對染料的吸附作用導(dǎo)致的；另一方面是由于鐵碳微電解反應(yīng)的主要作用是氧化還原反應(yīng)和電極附集作用。反應(yīng)120min后，染料的脫色變化很小，趨于穩(wěn)定，這是因為隨著反應(yīng)時間的增加，電極被有機(jī)物質(zhì)包裹，并且鐵電極由于被氧化而發(fā)生了鈍化，使得鐵碳反應(yīng)受阻，所以處理效果不再明顯，反應(yīng)已基本處于平衡狀態(tài)。所以鐵碳最佳反應(yīng)時間為120min。

五、結(jié)論

堿性嫩黃O染料廢水的最佳反應(yīng)條件為：pH值為3，鐵屑投加量為5g，鐵碳質(zhì)量比為1：0.8，反應(yīng)時間為120min。最佳反應(yīng)條件下處理的廢水的脫色率為70.8%。

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