零價鐵粉還原降解染料的研究

摘要：本文考察了pH值、零價鐵粉投加量等因素對酸性紅B及活性艷紅K-2G染料還原脫色效果的影響。證實了鐵粉還原酸性紅B及活性艷紅K-2G染料符合一級動力學反應規律。

關鍵詞：零價鐵 還原脫色 酸性紅B 活性艷紅K-2G

1 概述

紡織印染工業是最大的污染源和水資源消耗者之一[1]。隨著染料合成、印染等工業廢水的不斷排放和各種染料的不斷使用，進入環境的染料數量和種類不斷增加，染料造成的環境污染日趨嚴重[2]。據報道，全世界每年以廢物形式排入環境的染料約6萬t[3]，它的大量排放不僅會造成感觀上的污染，特別是含有機染料污水具有水量大、分布面廣、水質變化大、有機毒物含量高、成分復雜以及難降解等特點[1-3]，本文將對零價鐵還原降解染料進行研究。

2 實驗部分

2.1 染料的配制

①配制100mg/l酸性紅B溶液：用電子天平準確稱取0.1g酸性紅B粉末，用蒸餾水溶解，轉移至500ml容量瓶中，搖勻并定容至刻線。

②配制100mg/l溶液：用電子天平準確稱取0.1g活性艷紅K-2G粉末，用蒸餾水溶解，轉移至500ml容量瓶中，搖勻并定容至刻線。

③每次實驗均取400ml染料溶液。

2.2 實驗方法

鐵粉投加量均為5g/l，調節酸性紅B染料溶液pH值，分別為3、4、5以考察pH值對零價鐵粉還原脫色酸性紅B染料溶液的影響。調節酸性紅B染料溶液pH值均為3，鐵粉投加量分別為3g/l，5g/l，10g/l。以考察鐵粉投加量對零價鐵粉還原脫色酸性紅B染料溶液的影響。

鐵粉投加量均為5g/l，調節酸性紅B染料溶液pH值，分別為3、4，以考察pH值對零價鐵粉還原脫色活性紅K-2G染料溶液的影響。

3 實驗結果

3.1 pH值對染料脫色效果的影響

①用零價鐵粉還原脫色酸性紅B染料，鐵投加量均為=5g/l，分別調節染料溶液的pH為3、4、5。

從上述三組數據可以看出，在鐵粉濃度不變的前提下隨著染料溶液pH值的升高染料的脫色速率明顯下降。在pH=3條件下，反應進行得相當迅速，第3min時其脫色率達到48.6%，14min時就達到90%以上，當反應進行到34min其脫色率已達99.4%；在pH=4條件下，反應又明顯降慢，當反應進行到36min時其脫色率僅為74.3%，反應進行到136min時脫色率才達到90.5%與pH=3的條件下進行14min時的脫色效果相當（為92.8%）；在pH=5的條件下，它的脫色速率顯著下降，pH=5時反應進行到38min時其脫色率僅為59.4%，與pH=3的條件下在34min時的脫色率99.4%有顯著差異。

②用零價鐵粉還原脫色活性艷紅K-2G染料，鐵投加量為5g/l，分別調節染料溶液的pH為3、4。

pH對活性染料脫色率的影響與酸性染料趨勢相同，均表現為pH對脫色率的影響很大，低pH條件下反應進行的迅速，高pH條件不利于反應進行，且差異非常顯著。

3.2 鐵粉投加量對染料脫色效果的影響

用零價鐵粉處理酸性紅B染料，調節染料溶液的pH為3，考察不同鐵粉投加量的情況下，鐵粉對酸性紅B染料溶液的脫色效果，鐵的投加量為3g/l、5g/l、10g/l。

在pH值為3的條件下，增加鐵的投加量可以提高反應速率，在較短時間內達到一個較高的脫色率，但最終的脫色效果相差不大，均達到95%以上。當鐵濃度為5g/l和10g/l時，50分鐘以內脫色率就可達99%以上。

3.3 零價鐵粉對染料脫色反應的動力學分析

先假定此反應為一級動力學反應，取濃度的對數對時間作圖，檢驗其趨勢線相關系數，以此來判定此反應是否為一級動力學反應[10]。

選取鐵投加量為10g/l、pH=3條件下處理酸性紅B為例作圖如下：

由于濃度的對數對時間作圖趨勢線相關系數在0.95以上，所以零價鐵粉對酸性B染料溶液的脫色可認為遵從一級動力學反應，直線斜率的負數即為反應的速率常數。當pH=3，鐵投加量為5g/l時k=0.1152min-1；當pH

=4，鐵投加量為5g/l時k=0.029min-1；當pH=5，鐵投加量為5g/l時k=0.0184min-1。由此看出溶液pH對零價鐵粉的脫色作用有顯著影響，特別是pH由3升高到4時，速率常數顯著下降，下降幅度大于pH由4升高到5時的程度。由染料的濃度的對數對時間作圖，得到的趨勢線的相關系數在0.92以上，所以零價鐵粉降解活性艷紅K-2G可認為遵從一級動力學反應，直線斜率的負數即為反應的速率常數。由表中數據可知，零價鐵粉對活性艷紅K-2G染料的脫色，溶液的pH對脫色效果有顯著影響。

3.4 零價鐵對染料脫色的機理分析

用零價鐵還原脫色染料，是通過零價鐵粉的還原，內電解電極反應，新生態氫[H]的還原，鐵離子的絡合聚沉作用及氫氧化物的吸附架橋作用等來進行的。鐵的直接還原時，鐵與大分子有色物質作用，生成小分子無色物質。在酸性條件下，金屬會與H+發生置換反應，有大量的[H]放出。[H]再與大分子有機物（有色）反應生成了小分子有機物（無色）[4]。再加之內電解電極反應，鐵離子的絡合聚沉作用及氫氧化物的吸附架橋作用來處理染料廢水。由于反應的進行基于上述機理，所以酸性條件下溶液中存在著大量的H+，有利于鐵與H+發生置換反應，從而有利于反應的進行。因而在用零價鐵粉處理酸性染料的過程中，pH值對脫色效果影響顯著。同時內電解電極反應會有OH-產生，加之H+的消耗這就造成了染料溶液PH值的上升。這在實驗中也予以了證明：

染料的脫色發生在鐵粉的表面，因此單位反應體積的鐵粉表面積越大，即鐵粉投加量越多，反應越快。當投加量達到一定程度后，脫色速率增加得不快。

4 結論

①零價鐵粉在酸性條件下（pH<5），對酸性紅B和活性艷紅K-2G染料溶液達到良好的脫色效果（>95%）。

②在pH一定的條件下，加大鐵粉投加量可以促進零價鐵粉對酸性紅B和活性艷紅K-2G染料溶液的脫色還原作用。

③采用零價鐵還原酸性紅B及活性艷紅K-2G染料時，反應均符合一級動力學反應規律。

參考文獻：

[1]Solpan D.，Guven O.Decoloration and degradation of some textile dyes by gamma irradiation[J].Radiation Physics and Chemistry，2002，65（4）：549-558.

[2]Zhou Qixing.Chemic pollution and transport of organic dyes in water-soil-crop systems of the Chinese coast[J].Bulletin of Enviromnental Contamination and Toxicology，2001，66（6）：784-793.

[3]李家珍.染料染色工業廢水處理.北京：化學工業出版社，1994.

138-142.

[4]裴婕，周廣運.零價鐵還原降解活性艷紅X.3B的動力學研究[J].大連大學學報，2003，24（2）：50.