銅鹽表面改性鋅粉對印染廢水色度去除的應用研究

[摘 要] 本文在前人探索的基礎上用銅鹽改性鋅粉對印染廢水進行脫色處理，試驗用水用酸性黑進行配制，初始色度為2500倍。制備銅鹽改性鋅粉材料的條件為，鋅粉與銅鹽按1g：25mL的比例反應30min，其中氯化銅濃度為0.01mol/L。通過對浸泡時間、處理時間、氯化銅溶液浸泡濃度、pH及共存離子（Cl-和SO42+）等影響脫色效果的因素進行試驗可知，經銅鹽改性后的鋅粉對印染廢水的去除率明顯高于純鋅粉，印染廢水色度去除率可由62.8%增至88.3%；最佳反應條件為：在pH=4的酸性條件下反應，HRT=2h時，印染廢水脫色率可達到96.9%；氯離子的存在對廢水脫色并無明顯影響；低濃度硫酸根離子的存在對廢水脫色率也無影響；但當硫酸根離子濃度高于0.75g/L時，對脫色率影響較大。

[關鍵詞] 色度 鋅粉 銅鹽改性 印染廢水

中圖分類號：X730.3

印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、堿性大、水質變化大等特點，屬難處理的工業廢水之一，廢水中含有染料、漿料、助劑、油劑、酸堿、纖維雜質、砂類物質、無機鹽等[1]。目前用于印染廢水處理的主要方法有物化法、生化法、化學法以及幾種工藝結合的處理方法，而廢水處理中的預處理主要是為了改善廢水水質，去除懸浮物及可直接沉降的雜質，調節廢水水質及水量、降低廢水溫度等，提高廢水處理的整體效果，確保整個處理系統的穩定性，因此預處理在印染廢水處理中具有極其重要的地位[2]。印染廢水的最重要特點之一是色度高，有的可高達4000倍以上[3]。所以印染廢水處理的重要任務之一就是進行脫色處理，為此研究相關的高效脫色工藝，對于印染廢水的處理時十分重要。

本次研究擬選取改性材料這一思路，使得在鋅粉表面形成微電池的可操作性增強。另外，由于鋅-銅原電池的電勢要大于鋅-碳原電池，理論上這也使得印染廢水色度的去除效果也應有所提高[4]。

實驗原理

1．電化學作用[5]

陽極(Zn)：Zn→Zn 2++2e E=-0. 45 V

陰極(C)：2H++2e→2[H]→H2(酸性溶液) E=0.00 V

當有O2時：

O2+4H++4e→2H2O E=1. 23 V

O2+ 2H2O+4e→4OH- E=0.40V[13]

2．絮凝作用

Zn2++2OH-→Zn (OH)2

3．試驗用水及鋅粉改性條件

實驗用的印染廢水是用酸性黑配的，不是真正的印染廢水，初始色度為2500倍。制備銅鹽改性鋅粉材料的條件為：鋅粉與銅鹽按1g:25mL的比例反應30min，其中氯化銅濃度為0.01mol/L。

4．數據處理

在試驗中，對于印染廢水的色度去除率的計算，可通過廢水吸光度在反應前后的變化與去除率之間的關系算出[6]。公式如下：

Q=1-A/A0

式中：Q—脫色率(去除率)；

A—處理后的吸光度；

A0—原廢水吸光度。

試驗過程及討論

1．最佳氯化銅溶液浸泡濃度

由下圖可知，隨著氯化銅溶液濃度的增大，印染廢水中的色度去除率變化趨勢為，剛開始迅速增大，到達一個峰值后平緩下降，最終趨于平穩。這是因為鋅粉在氯化銅溶液中不斷置換吸附溶液中的銅離子，在某一時刻達到最佳濃度配比，原電池效果最好，因此會出現一個峰值，其去除率可達到88.3%。隨后，銅繼續增加，覆蓋了鋅，使得處理能力下降，最終趨于平穩。這個峰值所對應的氯化銅濃度是0.01 mol/L。因此，我們選取氯化銅最佳浸泡濃度為0.01 mol/L。

2．最佳浸泡時間

從下圖可以看出，隨著浸泡時間的延長，廢水色度去除率逐漸上升，到達一個峰值后逐漸下降。這是因為隨著接觸時間的延長，鋅粉表面吸附的銅的量逐漸增加，在某一時刻鋅銅含量達到最佳配比，處理效果最好，出現峰值，其色度去除率可達到93.4%。隨后，銅繼續增加覆蓋了鋅，使得處理能力下降。峰值所對應的浸泡時間為30min，所以，取最佳浸泡時間為30min。

3.處理時間的影響

從圖3可以看出，隨著處理時間的延長，廢水色度去除率先是迅速增大，而后趨于平穩。這是因為隨著處理時間的增加，酸性黑10B的去除率不斷升高，但是反應速率不斷下降，這是因為溶液中酸性黑10B的濃度不斷下降，使得反應速率減小，從而使去除率增長緩慢，趨于平穩。

4．pH的影響

從圖4可以看出，隨著廢水pH的不斷增加，即反應條件從強酸性條件向強堿性過渡的過程中有色物質的去除率在pH=4時出現一個峰值，隨后逐漸下降；當廢水溶液達到強堿性時(pH=13)又出現一個峰值。之所以出現這種情況是因為，酸性條件下電極反應為主導，在pH=4時達到電極反應的最佳條件，出現峰值。

強堿性條件下，主導反應為絮凝吸附反應，同樣可以達到脫色的效果，但反應機理發生了本質的變化。反應后廢水的顏色可以很直觀的反應這一現象。pH=4時，反應過后廢水呈現澄清的淡藍色，屬原廢水有色物質被大量分解后呈現的顏色；pH=13時，反應后廢水呈現較澄清的淡紅色，這是由于材料在強堿性條件下生成了紅色的氫氧化鋅，從而對溶液顏色產生了影響。

5．共存離子的影響討論

實際生產過程中產生的印染廢水常常含有一些其他離子，這些共存離子可能或多或少會對脫色效果產生一些影響[7]。試驗中我們選取氯離子和硫酸根離子為研究對象，分別探討它們對試驗結果的影響。

（1） 氯離子的影響

從圖5-1 可以看出：當廢水中加入不同濃度的氯離子時，廢水色度去除率基本都在97%左右，波動幅度甚微。所以從試驗中我們可以得出結論，廢水中氯離子的存在對廢水脫色并無明顯影響。

（2） 硫酸根離子的影響

從圖5-2可以看出：當廢水中加入低濃度硫酸根離子時，廢水的脫色率與空白樣差不多都保持在97%左右，基本沒變化，但當硫酸根離子濃度大于0.75g/L時，脫色率迅速降低至60%。之后，隨著硫酸根離子濃度繼續增大，脫色率并無明顯變化。由此可見，低濃度硫酸根離子的存在對廢水脫色率并無影響；但當硫酸根離子濃度高于0.75 g/L時，對脫色率影響較大。

6．鋅粉改性前后比表面積狀況對比

鋅粉經銅鹽改性后比表面積增大，吸附點位增加，解離程度增強。顏色偏深褐色，表面凹凸結構較明顯，成數個小團塊狀分布。吸附飽和后的鋅粉已充分解離，比表面積進一步增大，表面凹凸結構已經不是很明顯，成分散狀態存在。

結 論

1.經銅鹽改性后的鋅粉對印染廢水的去除率明顯高于純鋅粉，印染廢水色度去除率可由62.8%增至88.3%。

2.最佳反應條件為：在pH=4的酸性條件下反應，HRT=2h時，印染廢水脫色率可達到96.9%。

3.氯離子的存在對廢水脫色并無明顯影響；低濃度硫酸根離子的存在對廢水脫色率也無影響；但當硫酸根離子濃度高于0.75g/L時，對脫色率影響較大。

參考文獻:

[1]戴云松.電解內電解復合電解法處理印染廢水[D].華北電力大學，2001.

[2]鄭靖.鋅屑用于印染廢水的脫色處理試驗研究[D].西安建筑科技大學碩士學位論文，2005.

[3]黃國華.鋅屑法對染料配制廢水除色試驗研究[D].西安建筑科技大學碩士論文，2004.

[4]張顯輝，鄒本慧.鋅屑在印染廢水處理中的應用研究[J].環境科學與管理，2008，33(8)：2-3.

[5]光建新.微電解處理高濃度印染廢水的試驗研究[D].江蘇大學碩士學位論文，2007.

[6]P.Aragonés-Beltrán， J. A. Mendoza-Roca， A. Bes-Piá， M. García-Melón， E. Parra-Ruiz. Application of multicriteria decision analysis to jar-test results for chemicals selection in the physical–chemical treatment of textile wastewater [J]. Journal of Hazardous Materials， 164 (2009)， 288–295.

[7] I. Ayhan Sengil，Mahmut ¨ Ozacar.The decolorization of C.I. Reactive Black 5 in aqueous solution by electro-coagulation using sacri?cial zinc electrodes[J].Journal of Hazardous Materials， 161 (2009) ， 1369–1376.

作者單位：陜西職業技術學院 陜西西安