超聲/沸石載鈷活化過硫酸鹽降解染料廢水研究①

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(1.合肥供水集團有限公司,安徽 合肥 230011; 2.合肥學院生物與環(huán)境工程系,安徽 合肥 230601)

0 引 言

以橙黃II染料作為污染物，制備沸石載鈷活化劑，研究活化劑投加量、初始pH等因素，對沸石載鈷活化劑催化過硫酸鈉去除橙黃II染料降解效率的影響，并且探究超聲波對反應效率的強化作用。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器與試劑

實驗儀器主要有：紫外可見分光光度計(AM1307004)；恒溫振蕩器(DKZ-2)；程序控溫箱式電阻爐(SX2-2.5-12)；X射線衍射儀(TD-3500)；冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SU8010)。

主要試劑有：天然沸石；過硫酸鈉；橙黃II；硝酸鈷；氫氧化鈉；鹽酸；甲醇，試劑均為分析純。

1.2 沸石載鈷活化劑的制備

取一定量粒徑是100目的沸石投放到硝酸鈷浸漬液中，讓沸石在硝酸鈷溶液里浸漬震蕩12 h(恒溫25℃)，再經105℃烘干，然后磨碎放入程序控溫箱式電阻爐用10℃/min的速度進行升溫，升溫500℃后煅燒 2 h，自然冷卻，對樣品進行研磨再過100目標準分樣篩，干燥以備使用。

1.3 染料廢水橙黃II配制及測定

用橙黃II染料配制的溶液為染料廢水進行研究。對不同濃度的染料廢水進行200 nm - 800 nm的紫外-可見光譜掃描，觀察可得波長484 nm時橙黃II溶液的吸光度達到最高。

2 結果與分析

2.1 沸石載鈷活化劑的物化特性及其表征分析

2.1.1 活化劑物相組成分析

通過熱解得到的沸石載鈷活化劑試樣的XRD圖譜，如下圖1所示。

圖1 沸石載鈷活化劑XRD圖

如圖1所示，沸石載鈷樣品有明顯的二氧化硅衍射峰，以及對應的鈷氧化物的衍射峰，除此之外并未發(fā)現(xiàn)其他物質的衍射峰，證明制備的活化劑是沸石載鈷活化劑。

2.1.2 天然沸石和活化劑形貌

圖2 天然沸石(a)和沸石載鈷活化劑(b)掃描電鏡圖

用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察樣品的表面特征，如圖2所示，對比(a)和(b)圖可見，沸石載鈷活化劑相較于天然沸石的表面更光滑，表明鈷能較好的負載在天然的沸石表面。

2.2 沸石載鈷活化劑催化過硫酸鈉降解染料廢水性能研究

2.2.1 活化劑投加量對染料廢水降解的影響

通過控制沸石載鈷活化劑的投加量，進行對比實驗，結果如圖3所示。

圖3 活化劑投加量對降解效果的影響

圖4 初始pH對降解效果影響

圖5 超聲波對降解效果影響

由圖3可知，沸石載鈷活化劑對活化過硫酸鹽效果影響明顯，隨沸石載鈷活化劑加入量增多，染料去除效果明顯提高。在未加入活化劑條件下，系統(tǒng)對橙黃II降解效果較差，60 min降解率為10 %，不加入活化劑只加入過硫酸鹽，廢水只能被部分降解，過硫酸鈉本身雖然具有強氧化性，但是在常溫條件里特性十分穩(wěn)定，不會生成含強氧化性活性自由基，所以廢水的降解效率不高。當加入0.5 g活化劑后，橙黃II降解效果明顯提高，增加至60 min降解率提高至46 %。當活化劑投加量從0.5 g增加到2 g時，染料廢水橙黃II降解率逐漸增加，降解率由46 %增加至92 %。這可能是因為更多沸石載鈷加入量可以增加過硫酸鈉分解活性位點，在反應時間相同時被氧化有機物量增大。當活化劑使用量由2 g增高到2.5 g時候，反應60 min降解率都是90 %以上，且變化幅度不大，因此實驗所用活化劑加入量定為2 g。

2.2.2 溶液初始pH對橙黃Ⅱ廢水去除的影響

調控橙黃II染料廢水的初始pH，得到pH 2、4、6、8、10的染料廢水進行實驗，活化劑的加入量控制在2 g，用5%的沸石載鈷活化劑，結果如圖4所示。

由圖4可知，當pH值為2時，反應系統(tǒng)對染料效果降解率最低，60 min橙黃II的降解率為64 %，隨著pH的提高，橙黃II的降解率不斷地提高，pH為10時，50 min橙黃II的降解率已達96 %。活化劑在活化過硫過硫酸鈉反應過程中，pH的變化對染料橙黃II的降解影響明顯，在反應過程中產生鏈式反應，在堿性條件下有利于反應產生硫酸根自由基，從而提高了反應系統(tǒng)對染料橙黃II的降解。

2.2.3 超聲波對染料廢水降解的影響

通過其他手段進一步提高活化過硫酸鹽效率，實驗采用超聲波的方法進一步提高活化效率[12]，將50 mL初始濃度是100 mg/L的橙黃Ⅱ染料廢水的pH值控制為10，投加2 g負載為5 %的沸石載鈷活化劑，再迅速加入2 g的過硫酸鈉，在室溫下將其放入超聲波清洗器中開始反應，結果如圖5所示。

由圖5可以得出，超聲作用10 min，染料廢水的降解是常規(guī)振蕩下的2倍，幾乎與常規(guī)振蕩50 min時的降解效果相近，在10 min反應時間時橙黃II的降解率為93 %。超聲波在反應體系中，可產生超聲空化作用，與過硫酸鹽發(fā)生反應，引發(fā)鏈式反應，形成自由基，對染料橙黃II進行降解，此外空化泡崩潰可產生強的沖擊波對橙黃II中的苯環(huán)或者化學鍵進行破壞，使得橙黃II發(fā)生降解。

3 結 論

制備的沸石載鈷活化劑具有較好的活化性能，當染料橙黃II廢水的初始濃度是100 mg/L時，當鈷負載量為5 %，沸石載鈷活化劑的加入量為2 g，溶液的pH為10，過硫酸鈉使用量為2 g的時候，橙黃Ⅱ的降解效果達到最佳，60 min去除率達到96 %。超聲波對反應具有強化作用，反應時間為10 min時去除率即可達到93 %。該技術可應用于染料廢水處理。

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