催化劑CG/雙氧水類芬頓體系在酸性大紅GR模擬染料廢水脫色中的應(yīng)用

王 潔,王雪燕,石引弟

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 前言

酸性染料是一類品種繁多、應(yīng)用非常廣泛的染料[1],其色澤鮮艷,色譜齊全,主要用于蛋白質(zhì)纖維、錦綸和皮革等的染色[2],在染深濃色產(chǎn)品時,酸性染料很難100%上染,且由于其水溶性的特點,染色織物在去浮色的過程中會有較多染料脫落于染液中,導(dǎo)致廢水色度高、可生化性差,直接排放會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害,需要進(jìn)行脫色處理[3-4]。

目前對印染廢水的處理主要有物理吸附、化學(xué)氧化、光催化、電催化以及微生物降解等技術(shù)[5-8],這些技術(shù)各有其優(yōu)缺點。芬頓法作為高級氧化技術(shù)的一種,能夠高效、無選擇性的破壞廢水中的有機(jī)污染物[9-10],進(jìn)而達(dá)到凈化廢水的目的。本課題組自制一種生物高分子金屬配合物CG,將其與H2O2構(gòu)建類芬頓催化體系,前期研究表明,該催化體系對活性紅K2BP模擬廢水具有良好的脫色效果[11]。本課題將該催化體系應(yīng)用于酸性大紅GR模擬染料廢水的脫色中,探討該體系對酸性大紅GR模擬廢水的脫色效果。

1 試驗部分

1.1 試驗化學(xué)試劑和儀器

(1)試驗化學(xué)試劑

30%雙氧水(天津市大茂化學(xué)試劑廠),氯化鈉(無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司),自制催化劑CG,無水碳酸鈉(無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司),醋酸(天津市天力化學(xué)試劑有限公司),酸性大紅GR(浙江龍盛集團(tuán)股份有限公司)。

(2)試驗儀器

UV-1900PC型紫外-可見分光光度計(AOE翱藝(上海)有限公司),HS型高溫電腦程控染色機(jī)(佛山市華高自動化設(shè)備有限公司),FA1004型電子天平(上海良平儀器儀表有限公司),Colori7愛色麗分光測色儀(上海嘉恩科技有限公司)。

1.2 試驗方法

(1)模擬廢染液的制備

準(zhǔn)確稱取一定量的酸性大紅GR染料,配制成5g/L的模擬廢染液,備用。

(2)催化脫色工藝

將催化劑CG 0～0.6g/L、30%H2O20～7mL/L加入到酸性大紅GR模擬脫色液中,脫色液染料濃度為0.1g/L,40℃～70℃下脫色處理5min～40min。

1.3 測試方法

(1)脫色率測試

用UV-1900PC型紫外-可見分光光度計測定脫色前后廢染液在最大吸收波長下的吸光度值,按式(1)計算脫色率R:

式中:Ai—脫色后染液稀釋n倍后的吸光度;A0—脫色前染液稀釋m倍后的吸光度。

(2)雙氧水分解率測試

通過高錳酸鉀滴定雙氧水測定雙氧水濃度,式(2)計算雙氧水分解率按以此可計算出雙氧水的分解率,測試3次,結(jié)果取平均值。

式中:V—脫色前5mL含雙氧水溶液所消耗的高錳酸鉀的體積;VX—脫色后5mL含雙氧水溶液所消耗高錳酸鉀的體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑CG對雙氧水分解速率的影響

由圖1可以看出,隨著處理時間的延長,雙氧水的分解率均逐漸增大。相同體系下,60℃比50℃雙氧水的分解速率高,對于催化體系,影響更為明顯,說明升高溫度,有利于提高催化劑對雙氧水分解速率;溫度相同時,催化體系中,雙氧水分解速率更高,說明加入催化劑可以顯著提高雙氧水分解速率,加速雙氧水對染料廢水的脫色,提高脫色率。

2.2 催化劑CG/H2O2體系脫色工藝優(yōu)化

2.2.1 催化劑CG用量對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

固定30%H2O2用量4mL/L,改變催化劑用量,50℃下脫色25min,研究催化劑CG不同用量對0.1g/L酸性大紅GR染料廢水脫色率的影響,結(jié)果見圖2:

由圖2可知,隨著催化劑用量的增加,脫色率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,當(dāng)催化劑用量為0.5g/L時,脫色率達(dá)到最大值91.15%。催化劑CG可以催化雙氧水分解,生成高活性自由基,破壞廢水中染料的結(jié)構(gòu),達(dá)到廢水脫色的目的。因此,對0.1g/L酸性大紅GR染料廢水脫色,催化劑CG的用量確定為0.5g/L。

2.2.2 30%H2O2用量對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

固定催化劑用量為0.5g/L,改變30%H2O2的用量,50℃下脫色25min,測定酸性大紅GR染料廢水脫色率,結(jié)果見下頁圖3。

由圖3可以看出,隨著雙氧水用量的增加,脫色率提高,當(dāng)30%H2O2用量為6mL/L時,脫色率達(dá)到96.29%。在催化體系中,H2O2可以分解產(chǎn)生羥基自由基等強(qiáng)氧化性物質(zhì),并隨著H2O2用量的增加,產(chǎn)生的羥基自由基等強(qiáng)氧化性物質(zhì)增加,加速對染料化學(xué)結(jié)構(gòu)的破壞,脫色率提高。確定對0.1g/L酸性大紅GR染料廢水脫色的30%雙氧水的最佳用量為6mL/L。

圖3 30%H2O2用量對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

2.2.3 酸、堿對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

催化劑CG用量固定為 0.5g/L,30%雙氧水用量6mL/L,分別向模擬脫色液中加入不同用量的HAC和NaCO3,50℃下處理30min,研究脫色液中的HAC和NaCO3用量對脫色效果的影響,結(jié)果見圖4:

圖4 HAC和NaCO3用量對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色效果的影響

由圖4看出,隨著碳酸鈉或醋酸用量的增加,脫色率呈下降趨勢。這可能是由于較強(qiáng)堿性或酸性條件下,催化劑CG對H2O2的催化分解性能降低,不能有效生成高活性羥基自由,脫色效率降低。但由試驗結(jié)果看出,當(dāng)碳酸鈉用量1g/L,醋酸用量1mL/L時,脫色率仍然在94%以上,因此,催化劑CG/ H2O2體系應(yīng)用pH值范圍較廣,可以在弱酸至弱堿性條件下對染料廢水進(jìn)行脫色。

2.2.4 溫度對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

固定催化劑用量為0.5g/L,30%雙氧水6mL/L,在不同溫度下脫色25min,測定不同溫度下的脫色率,結(jié)果見圖5:

圖5 溫度對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

由圖5看出,在相同脫色時間條件下,隨著脫色溫度的上升,脫色率提高。升高溫度有利于提高催化劑對H2O2的催化反應(yīng)速率,加速雙氧水分解產(chǎn)生羥基自由基等高活性物質(zhì),從而加速對廢染液中染料結(jié)構(gòu)的破壞,提高脫色率。綜合對脫色率和節(jié)能的考慮,對0.1g/L酸性大紅GR染料廢水的脫色溫度確定為50℃。

2.2.5 溫度對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色速率的影響

固定30%H2O2用量6mL/L,催化劑CG用量0.5g/L,在不同溫度下脫色不同時間,測定酸性大紅GR染液廢水脫色速率,結(jié)果如圖6所示:

圖6 溫度對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色速率的影響

由圖6可以看出,適當(dāng)升高脫色溫度,有利于提高脫色速率,但60℃與50℃的脫色速率相近。50℃脫色25min時,脫色率能達(dá)到90%以上,繼續(xù)延長脫色時間,脫色率基本不變,因此,對0.1g/L酸性大紅GR染料廢水的最佳脫色工藝條件確定為50℃處理25min;若降低脫色溫度,則需要適當(dāng)延長脫色時間。

2.3 鹽對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

固定催化劑CG用量為0.5g/L,30%H2O2用量為6mL/L,在染料廢水加入不同質(zhì)量濃度的氯化鈉或元明粉,40℃脫色30min,探討氯化鈉和元明粉用量對0.1g/L酸性大紅GR染料廢水脫色效果的影響,結(jié)果如圖7所示:

圖7 鹽用量對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色效果的影響

由圖7看出,隨著氯化鈉和元明粉用量增加,脫色率呈平穩(wěn)的上升趨勢。這可能是因為廢染液中鹽的存在使染料分子在催化劑表面的吸附量增加,有利于雙氧水催化分解產(chǎn)生的高活性物質(zhì)和染料分子充分接觸,破壞染料結(jié)構(gòu),提高脫色率,說明染色廢液中存在的鹽可以提高催化劑/雙氧水體系對酸性染料廢水的脫色率。

2.4 不同體系對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

酸性大紅GR 0.1g/L,催化劑CG 0.5g/L,30%雙氧水6mL/L,氯化鈉30g/L,在40℃下處理不同時間,測定不同催化體系對脫色率的影響,結(jié)果如表1所示:

表1 不同體系對酸性大紅GR模擬染料廢水脫色率的影響

由表1可以看出,只加催化劑的脫色體系和只加雙氧水的脫色體系脫色率都不高,而催化劑CG/H2O2體系對酸性大紅GR染料有良好的脫色效果,在40℃下進(jìn)行脫色處理1h,該體系脫色率達(dá)到87.19%,延長脫色時間至2h,脫色率可達(dá)95.6%,說明降低脫色溫度,延長脫色時間也能達(dá)到良好的脫色效果。另外,催化體系中氯化鈉的存在可以進(jìn)一步提高脫色率,縮短脫色時間。

3 結(jié)論

(1)生物高分子固體催化劑CG可以顯著提高對雙氧水的分解速率,有效破壞印染廢水中的染料結(jié)構(gòu),達(dá)到良好的脫色效果。優(yōu)化出生物高分子固體催化劑CG/H2O2體系對0.1g/L酸性模擬染料廢水脫色中的最佳工藝條件為:催化劑CG用量為0.5g/L,30%H2O2用量6mL/L,脫色溫度為50℃,脫色時間為25min。

(2)該催化劑CG/雙氧水體系應(yīng)用pH值范圍較廣,可以在弱酸至弱堿性條件下脫色;廢液中鹽的存在有利于提高脫色速率,降低脫色溫度,縮短脫色時間。