碳?xì)蛛姺翌D降解羅丹明B染料廢水*

陳 曉 周紫荊 陳雄建 邱曉紅 鄭 曦 陳日耀 金延超

(1.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350007;2.福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007)

印染工業(yè)產(chǎn)生大量染料廢水，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人體健康[1]。尤其是使用量占比達(dá)70%左右的偶氮染料，光降解過程中產(chǎn)生的芳香胺類物質(zhì)具有致癌、致畸、致突變等作用[2]。染料廢水具有色度大、成分復(fù)雜、有機(jī)物濃度高、難降解等特點(diǎn)，使其成為水處理領(lǐng)域較難解決的問題之一[3]。

高級氧化技術(shù)在染料廢水處理中展現(xiàn)出良好前景，其可以產(chǎn)生具有高氧化電位的羥基自由基(·OH)等活性氧簇(ROS)，可以徹底降解污染物[4]。特別是電芬頓技術(shù)可以原位產(chǎn)生H2O2，解決了H2O2的生產(chǎn)、運(yùn)輸問題。溶解氧在陰極經(jīng)過2電子還原過程生成H2O2，其和二價(jià)鐵組成芬頓試劑，在酸性條件下產(chǎn)生·OH[5]。溶解氧在碳材料表面具有較高的2電子還原傾向，是常用的電芬頓陰極材料[4]。石墨氈含碳量高、電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、電導(dǎo)率高，同時(shí)其原料豐富，易于生產(chǎn)，價(jià)格低廉。因此，將其作為陰極進(jìn)行電芬頓處理染料廢水是處理染料廢水的有效途徑。

本文以石墨氈為陰極，鈦基釕銥電極為陽極，研究電芬頓對染料羅丹明B的降解，探究碳?xì)蛛姺翌D降解羅丹明B的最適條件，為染料廢水處理提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鈦基釕銥電極購于云軒金屬材料有限公司；碳?xì)仲徲谇G州浩特新材料有限公司;本實(shí)驗(yàn)所用的染料羅丹明B、七水合硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)、硫酸鈉(Na2SO4)、硫酸等試劑均為分析純，購自于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1-直流電源；2—鈦基釕銥電極；3—碳?xì)蛛姌O；4—轉(zhuǎn)子；5—磁力攪拌器

以碳?xì)譃殛帢O(3×4×1cm3)，鈦基釕銥電極為陽極(3×4×0.1cm3)，電極間距為4 cm；直流穩(wěn)壓電源供電，氧氣鼓泡增加溶氧量；實(shí)驗(yàn)過程中使用磁力攪拌器攪拌(200 r/min)，反應(yīng)溫度恒定(25 ℃)。

1.3 分析方法

使用分光光度法測定廢水中羅丹明B濃度，配置不同pH、不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)液，測定其在550 nm波長處的吸光度，計(jì)算羅丹明B標(biāo)準(zhǔn)線。廢水處理一定時(shí)間后，污染物的降解率計(jì)算如下所示：

式中，C0——羅丹明B初始濃度(mg/L)；C——反應(yīng)一定時(shí)間后的羅丹明B濃度(mg/L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧氣流量對羅丹明B降解的影響

如圖2所示，氧氣流量對電芬頓降解羅丹明B 具有顯著影響。氧氣流量為100 mL/min條件下，處理60 min，羅丹明B降解率為42.49%；將氧氣流量增大至150 mL/min，降解率提高至74.49%；當(dāng)氧氣流量繼續(xù)增大至200 mL/min，羅丹明B的降解率雖然進(jìn)一步增大，但僅增大至87.40%。這是因?yàn)椋c外加Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生·OH的H2O2來源于溶解氧在陰極的二電子還原過程。增大氧氣流量可以提高廢水中溶解氧濃度，促進(jìn)H2O2產(chǎn)生，進(jìn)而提高羅丹明B的降解率[6]。因此，本實(shí)驗(yàn)過程中的最佳氧氣流速為200 mL/min。

圖2 氧氣流量對羅丹明B降解的影響(pH=3，電流30mA，F(xiàn)e2:5mg/L)

2.2 工作電流對羅丹明B降解的影響

如圖3所示，在電流為20 mA條件下，羅丹明B 降解率為75.30%。增大電流可以顯著提高羅丹明B降解率。當(dāng)電流強(qiáng)度增加至30 mA時(shí)，羅丹明B降解率為87.40%；電流強(qiáng)度為40mA時(shí)，降解率升高至92.51%。由此可見，增大電流可以提高H2O2濃度，強(qiáng)化電芬頓過程，從而提高染料羅丹明B的降解率。然而，增大電流會(huì)增大工作電壓，促進(jìn)了H2O2分解，此外，也加劇了陰極析氫等副反應(yīng)[7]。綜合水處理能耗與成本，在本實(shí)驗(yàn)中，30mA為降解羅丹明B的最適電流。

圖3 不同電流條件下羅丹明B的降解率(pH=3，氧氣流量200mL/min，F(xiàn)e2:5mg/L，Na2SO4:50mg/L)

2.3 Fe2投量對羅丹明B廢水降解的影響

如圖4所示，提高Fe濃度促進(jìn)了羅丹明B的降解。這是因?yàn)殡姺翌D過程中的·OH來源于Fe催化H2O2分解。因此，提高Fe濃度有利于羅丹明B降解。當(dāng)Fe從10 mg/L提高到20mg/L，羅丹明B降解率變化并不顯著。芬頓體系由H2O2和Fe組成，說明在本實(shí)驗(yàn)過程中，F(xiàn)e濃度并不是污染物降解的制約因素。本實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)e的最佳濃度為10 mg/L。

圖4 Fe2濃度對羅丹明B降解的影響(pH=3，氧氣流量200mL/min，電流：30mA，Na2SO4:50 mg/L)

2.4 初始濃度對羅丹明B降解的影響

如圖5所示，廢水處理60min，初始濃度為50、100 mg/L的羅丹明B降解率分別為89.30%、70.05%。羅丹明B初始濃度越大，羅丹明B的降解速率越小，所需處理時(shí)間越長。

圖5 不同初始濃度下羅丹明B的降解(pH=3，氧氣流量200mL/min，F(xiàn)e2：10mg/L，Na2SO4:50mg/L)

3 結(jié)論

本文以碳?xì)譃殛帢O，研究了電芬頓對染料羅丹明B的降解。染料廢水降解的最適條件為：氧氣流量200 mL/min，F(xiàn)e濃度10 mg/L，電流30 mA。廢水處理60 min，羅丹明B降解率可達(dá)89.30%。結(jié)果表明，碳?xì)株帢O電芬頓可以高效降解染料廢水。

致謝：

本項(xiàng)目由福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2018J01672)資助，特此致謝！