海綿鐵感應熱固定床對染料廢水脫色研究

王 明,李劍超,毛 勇,李 青,徐 娜,靳 菁,鄭 偉 (陜西師范大學環(huán)境科學系,陜西 西安 710062)

海綿鐵感應熱固定床對染料廢水脫色研究

王 明,李劍超*,毛 勇,李 青,徐 娜,靳 菁,鄭 偉 (陜西師范大學環(huán)境科學系,陜西 西安 710062)

感應熱固定床(IHBF)在有機廢水非均相反應中,通過能量靶向作用于磁性濾料微界面,形成固液相界面高溫微反應區(qū),實現(xiàn)了有機廢水低能耗高效降解.本文探討了海綿鐵感應熱固定床處理直接紫 D-BL廢水的運行條件和機理.結果表明,在進水 pH值 6～7,水溫為30℃,HRT為2.08min的條件下,運行30min后脫色率高達93.5%.降解溶液的UV-vis結果表明,直接紫D-BL在554nm和220nm的特征峰消失.通過SEM-EDS技術對Ni-SI降解前后的樣品進行表征,結果顯示,降解后Ni-SI中的Fe形成了Fe的氧化物和氫氧化物.根據(jù)降解、表征分析其反應機理,推斷是直接紫D-BL首先吸附在海綿鐵顆粒表面,接著鐵與水反應產(chǎn)生的H2在Ni的催化和局部高溫作用下產(chǎn)生大量的氫自由基,并與直接紫D-BL發(fā)生催化還原反應,使得分子中最毒性的共軛雙鍵和苯環(huán)斷開而降解.此外對酸性黑10B廢水、直接大紅D-GLN廢水和實際染料廢水分別進行試驗,脫色率分別達到82%、78%、81%左右,表明海綿鐵感應熱固定床在染料工業(yè)廢水處理中具有良好的應用潛力.

海綿鐵；感應熱固定床；直接紫D-BL；脫色；染料廢水；降解機理

印染廢水中的偶氮染料穩(wěn)定性高、水溶性大,是一種難降解的有機物,且當今市場上使用的染料的穩(wěn)定性越來越強,傳統(tǒng)的生化處理方法效率不高[1-5].因此開發(fā)一種經(jīng)濟有效的處理技術成為日益關注的課題.

有機廢水處理的非均相反應中,污染物從水相中去除的關鍵步驟是顆粒內部的反應過程和質量傳遞過程.伴隨著質量傳遞,一般催化反應同時存在熱量傳遞過程,而熱量傳遞的很大程度上影響著催化反應的進程.對于顆粒狀介質的多相催化反應體系,現(xiàn)階段的技術,能量傳遞的途徑大致是從能量發(fā)生設備→水相→顆粒催化劑表面;而更優(yōu)的途徑應該是從能量發(fā)生設備→顆粒催化劑→水相.而后一種方式目前還是空白.

感應熱固定床(IHFB)在有機廢水非均相反應中,通過能量靶向作用于鐵磁性濾料微界面,形成固液相界面高溫微反應區(qū),使難降解的有機物在常溫常壓下就可以分解,實現(xiàn)了有機廢水的低能耗高效降解.其中,鐵磁性濾料決定了IHFB技術的效率和能耗.

海綿鐵(SI)是一種具有良好鐵磁效應的新型水處理材料,具有比表面積大、比表能低和更強的電化學富集及混凝沉淀等優(yōu)點,已經(jīng)在染料廢水脫色方面受到重視[6-8].但海綿鐵表面易氧化,嚴重限制了其催化活性的發(fā)揮.通過對其表面改性,可以增大活性面積系數(shù),顯著提高染料降解效率[9].

本研究采用化學置換法制備了表面負載鈷、鎳金屬元素的海綿鐵催化劑,并將鎳改性海綿鐵填充于自制的 IHFB中,以典型的偶氮染料直接紫D-BL為模型污染物,考察了鎳改性海綿鐵感應熱固定床在不同運行條件下對偶氮染料廢水的處理性能.并通過對材料表面結構、化學成分的變化結合染料廢水降解前后表征的研究,提出了海綿鐵感應熱固定床處理直接紫 D-BL的可能機理,以期為海綿鐵感應熱固定床反應器的工程應用提供基礎.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

感應能量輸出裝置:實驗室自制,交變磁場頻率為 50kHz,空芯線圈電感 15.28μH,工作電流4.28A.自制線圈匝數(shù)50匝,線圈截面Φ為28mm,高度 8.0cm,漆包線直徑 18mm.將海綿鐵固定床與感應熱輸出裝置組合,該設備可進行感應熱固定床下染料廢水處理實驗,實驗裝置見圖1[10].

海綿鐵固定床:將平均粒徑 0.5～1mm、質量為30.00g的鎳改性海綿鐵填充到高120mm、內徑 Φ16mm玻璃填充床中,底部進水,以蠕動泵調節(jié)進水流量.固定床底部塞入小塊玻璃棉擔載海綿鐵,柱外緊密包裹隔熱層,阻止外部線圈電阻發(fā)熱與柱內海綿鐵感應的熱量交換.為測定進出水溫度,在填充柱兩端均設置溫度傳感器.

圖1 感應熱固定床下染料廢水處理實驗裝置示意Fig.1 The setup of dye wastewater treatment in IHFB1.原水槽;2.蠕動泵;3.水浴裝置;4.磁感應熱固定床反應器;5.高頻交流電源輸出裝置;6.攪拌裝置;7、8.溫度傳感器;9.感應線圈; 10.濾料;11.保溫層

1.2 材料的制備

酸活化海綿鐵材料:將已購得的海綿鐵分級篩選,用自來水洗去表面雜質后置于濃度為1mol/L的NaOH堿液中洗滌,去除表面污垢.然后用 0.05mol/L稀鹽酸洗滌上述堿洗后的海綿鐵,再用去離子水反復沖洗直至上層液體pH值約為7后,用酒精換洗3次,N2保護下干燥后裝入密封容器備用.經(jīng)酸活化的海綿鐵記作H-SI.

鎳鹽活化海綿鐵材料[12-13]:將上述酸活化海綿鐵按固液比(g/mL)1:4 與 0.02mol/L 的Ni(NO3)2溶液混合,反應器密封后置于恒溫振動器上180r/min振蕩24h,然后用去離子水超聲波清洗后,再用無水乙醇換洗3次,N2保護下干燥后裝入密封容器備用.此時Ni(NO3)2溶液改性后的海綿鐵記為 Ni-SI.用同樣的方法制備鈷鹽改性的海綿鐵材料,記為Co-SI.

1.3 廢水處理實驗

實驗所用直接紫D-BL、酸性黑10B、直接大紅 D-GLN由吳江市羅林染化有限公司提供.直接紫D-BL分子結構式為:

實際染料廢水來自西安市新華印染廠,主要成分為直接紫D-BL、Na2CO3、NaCl、Na2SO4、表面活性劑等,實際廢水經(jīng)初級物理過濾后進水.

配制100mg/L的直接紫D-BL溶液作為模擬染料廢水,廢水由蠕動泵從原水槽中泵至感應熱固定床的底端進水口,進入濾柱后經(jīng)濾料層由頂端的出水口流出.當感應熱固定床出水時開始輸出感應熱,每間隔一定時間采集 1次出水.用0.45μm濾膜過濾后,取澄清液測定其吸光度.

1.4 分析方法

材料的表面形態(tài)采用環(huán)境掃描電鏡(Quanta 200)分析,表面元素組成分析采用電子能譜分析儀(Quanta 200),表面金屬沉積量采用 ICP (Spctro-arcos)分析.Spctro公司生產(chǎn)的 Spctroarcos型等離子發(fā)射光譜儀(ICP)分別對表面沉積Ni、Co元素進行定量測量,先將經(jīng)過鎳鹽、鈷鹽活化處理的零價鐵進行干燥,再準確稱量,用2.00mol/L鹽酸進行溶解,用蒸餾水定容,作 ICP分析,分別測定含Ni、Co和Fe質量比.

在一定濃度范圍內(<100mg/L),染料濃度與測量溶液吸光度呈線性關系,其最大吸收波長為554nm.采用紫外-可見分光光度計(TU-1901)測定廢水吸光度.實驗以染料模擬廢水脫色率來評價感應熱固定床的處理性能,計算公式為:

式中:DC為染料的脫色率,%;A0,At分別為初始和反應時間為t時染料模擬廢水的吸光度.

出水溶出鐵測定:鄰菲啰啉分光光度法[13],檢測限0.03～5mg/L溶出主要以絮凝出現(xiàn),測定鐵元素溶出時需搖勻水樣,絮凝懸浮后,移取一定體積按照國標方法消解測定.

2 結果

2.1 材料的表征

2.1.1 形貌分析 圖2為不同材料的SEM圖譜.經(jīng)不同方式活化后的海綿鐵都表現(xiàn)出良好的微孔結構,與原海綿鐵相比其比表面積增大,有利于對染料廢水的吸附絮凝作用和增大活性面積系數(shù);經(jīng)鎳鹽、鈷鹽活化后的海綿鐵與酸活化相比,其孔徑分布變化不大,表面卻有點狀晶形,據(jù)ES分析顯示,海綿鐵表面新增了Ni元素0.93%和Co元素0.45%,說明部分金屬Ni、Co沉積在其表面.

圖2 不同材料的SEM圖譜Fig.2 SEM images of materials

2.1.2 ICP分析 ICP分析結果表明,采用0.02mol/L鎳鹽活化處理海綿鐵時,在海綿鐵上的鎳沉積量為 0.51mg/g;采用 0.02mol/L鈷鹽活化處理海綿鐵時,在海綿鐵上的鈷鹽沉積量為0.23mg/g.

2.1.3 元素組成分析 用電子能譜分析儀對材料顆粒表面元素含量進行了能譜分析.數(shù)據(jù)顯示,原海綿鐵中Fe的質量分數(shù)為93.16%,O的質量分數(shù)為5.38%,H-SI與原海綿鐵相比,O的質量分數(shù)減少了 1.56%,說明酸活化后的海綿鐵洗去了其表面部分氧化物.Ni-SI和Co-SI與H-SI相比,Fe和O的質量分數(shù)同比減少,新增了Ni元素0.93%和Co元素0.45%,說明了金屬鹽活化后海綿鐵表面負載了少量的Ni元素和Co元素,這與ICP分析結果一致.

2.2 改性海綿鐵對IHFB處理性能的影響

2.2.1 改性方式 劉佳等[9]對鎳鹽活化海綿鐵降解三氯乙酸進行了研究,結果表明海綿鐵表面沉積零價鎳,大幅度提高了海綿鐵的活性面積系數(shù),表觀反應速率提高了8倍,顯著加速了三氯乙酸的降解速率.在進水水溫 30℃、進水流量為420mL/h下,實驗分別選取了0.02mol/L Ni改性和CO改性的海綿鐵30.00g作為感應熱固定床濾料,然后與酸活化海綿鐵感應熱固定床進行對比,對直接紫D-BL廢水進行了處理,實驗結果如圖3所示.

圖3 改性方式對脫色率的影響Fig.3 Influence of modified methods on decolorization percentage

從圖 3可以看出,在感應熱固定床下,運行35min穩(wěn)定后,3者均能達到良好的脫色效果,但相比之下金屬鹽改性后的海綿鐵能在較短運行時間就達到 80%以上的脫色率,鎳改性海綿鐵最高達到90%的脫色率.海綿鐵經(jīng)過表面改性后,金屬 Ni/Co取代了海綿鐵表面部分零價鐵,使其表面形成鐵鎳電偶腐蝕對,從而在電解質中形成了許多組微小的原電池組.在感應熱下實現(xiàn)了微反應區(qū)界面溫度遠遠高于傳統(tǒng)供熱方式下水相溫度,促進了微電解反應,大大加快了染料廢水的降解.由于在海綿鐵上的鎳沉積量大于鈷鹽沉積量,而且,因此Ni改性處理效果高于Co改性處理效果.綜上,3種改性方式對直接紫 D-BL廢水脫色效果影響大小依次為 Ni 改性、Co改性和酸活化.

2.2.2 鎳負載量 Ni(NO3)2濃度會影響Ni在海綿鐵上的有效負載量,從而材料催化活性有不同, Ni負載量與海綿鐵常有一個最佳配比[14-15].在進水水溫為30℃、進水流速為420mL/h下,0.02,0.20, 1.00mol/L等濃度梯度金屬 Ni鹽改性后的海綿鐵在IHFB中對直接紫D-BL廢水脫色率的影響如圖4所示.

圖4 Ni濃度對脫色率的影響Fig.4 Influence of modified nickel concentration on decolorization percentage

由圖4可見,金屬改性和未改性相比,脫色率相差高達 14%,0.02mol/L Ni改性海綿鐵感應熱固定床,在運行35min穩(wěn)定后,脫色率達到93%左右,而高濃度改性后的海綿鐵對染料的脫色并未表現(xiàn)出更高的活性.由此表明,低濃度的金屬 Ni改性海綿鐵在感應熱條件下既實現(xiàn)了微電解效應,又能增強海綿鐵的活性,更能有效提高對染料廢水的脫色效率.因此選用0.02mol/的Ni改性海綿鐵作為IHFB的填料.

2.3 不同運行條件下IHFB的處理性能

2.3.1 進水 pH值 工業(yè)排放的偶氮染料廢水pH值變化較大,給廢水處理增加了難度.實驗選用濃度為1.00mol/L的HCL和NaOH溶液調節(jié)染料廢水的進水 pH值,未經(jīng)酸堿調節(jié)的廢水染料初始pH值為7.10.在進水水溫為30℃、進水流速420mL/h下,進水pH值對IHFB脫色效果影響如圖5.

由圖5可以看出,IHFB對進水pH值有著較寬的適應范圍,在進水偏堿性(pH=8.39)和堿性(pH=9.89)時,穩(wěn)定后的脫色率仍分別高達76%和61%左右.但一般來說,酸性進水對處理效果有一定的促進作用,這是因為降低 pH值可使電極反應 2Fe+4H+→2Fe2++4[H]的平衡向右移,新生態(tài)的Fe2+、[H]增加,與直接紫D-BL發(fā)生還原反應,破壞染料分子中的發(fā)色基團“—N=N—”,使其共軛體系斷裂達到脫色目的[16].從電化學角度考慮 ,的 E-pH 基線方程為:,由此可知 pH 減小, EΘ的電動勢增大,加快了染料的分解.與此同時,在酸性條件下,也有利于去除海綿鐵表面的鈍化物質,增加有效的反應面積,提高反應速度.但如果 pH值過低,過量的 H+會與 Fe和Fe(OH)2反應,破壞絮凝體,并產(chǎn)生多余有色的Fe2+,容易造成二次污染[7],而且不利用海綿的回收利用.不同進水pH值下鐵溶出和出水pH值的變化如圖6.

圖5 進水pH值對IHFB染料脫色的影響Fig.5 Influence of influent pH on decolorization percentage in IHFB

圖6 不同進水pH值下鐵溶出和出水pH值的變化Fig.6 Variation of iron dissolution concentration and pH of outlet water at different influent pH

由圖6可見,出水pH值都高于進水pH值,這是因為在酸性條件下原電池反應過程中會消耗 H+,在中性或堿性條件下又會產(chǎn)生 OH-,使得出水 pH 值升高.隨著過濾時間的延長,由于海綿鐵表面被鐵氫氧化物或鐵氧化物覆蓋,海綿鐵與染料分子接觸的幾率降低,導致 pH值下降[17-19].由出水 pH值可知,適當調節(jié)進水染料的酸堿度置于酸性環(huán)境中,既有利于對染料廢水的去除,也不會造成出水酸污染,這與零價鐵對染料脫色的研究報告一致[20],但是當進水pH值≤4.87時,出水中溶出鐵增加較明顯.綜合考慮脫色效果、出水溶出鐵和pH值,進水pH值控制到6～7為宜.

2.3.2 HRT 對于 IHFB,當濾料質量一定時, HRT與進水流速成反比.HRT的長短決定了相界面的接觸反應時間,直接影響著 IHFB對染料廢水的脫色性能.保持進水水溫為 30oC,HRT對IHFB脫色效果影響如圖7.

圖7 HRT對IHFB染料脫色的影響Fig.7 Influence of HRT on decolorization percentage in IHFB

由圖7可知,較長的HRT下IHFB對染料廢水的脫色率較高. 較長的 HRT一方面延長了直接紫 D-BL廢水與濾料之間發(fā)生化學反應的時間;另一方面,在感應熱輸入下,提高了反應界面的溫度,促進熱還原、電化學等反應過程,從而實現(xiàn)了良好的脫色效果.實驗表明,HRT提高一倍,但染料的去除率并沒有相應的提高一倍,故以延長HRT來提高去除效率,反而降低了單位時間染料的去除量,而且在HRT為2.08min時,脫色率高達93.5%,因此實驗控制HRT為2.08min.

2.3.3 進水水溫 在進水流速為 420mL/h,本實驗通過水浴加熱調節(jié)染料廢水進水水溫,進水溫度對海綿鐵感應熱固定床脫色效果影響如圖8.

從圖 8可知,增加進水水溫,有利于提高IHFB對直接紫D-BL廢水的脫色效率,說明在反應體系中,增加傳統(tǒng)供熱的比重造成反應體系表觀溫度的升高依然對處理效果有著一定的積極影響.但增加進水水溫能耗較高,且出水中鐵溶出相應增加,導致濾料的損失增大,不利于海綿鐵濾料的重復利用,而且進水水溫在 30℃和 40℃時,運行穩(wěn)定后,脫色率相差僅 2%左右,因此本實驗采用 30℃作為進水水溫,既容易控制,又降低了能耗.工業(yè)生產(chǎn)中排出印染廢水溫度條件一定范圍內的波動,IHFB對其均有很好的適應性.

圖8 進水水溫對SIHFB染料脫色的影響Fig.8 Influence of influent temperature on decolorization percentage in SIHFB

2.4 不同類型染料廢水處理效果

以上實驗結果表明,鎳改性海綿鐵在感應熱固定床下對直接紫 D-BL染料廢水有良好的脫色效果,相關文獻[9,20-21]表明,海綿鐵對多種有機物有較好的選擇性.在進水底物濃度為100mg/L、進水水溫為30℃、進水流速為420ml/h下,酸性黑10B、直接紫D-BL、直接大紅D-GLN和實際染料廢水在IHFB中的脫色效果如圖9.

從圖9可以看出,海綿鐵感應熱固定床運行30min后,廢水都達到良好的處理效果.帶有苯環(huán)的難降解染料直接大紅 D-GLN和酸性黑10B脫色率分別達到78%和82%左右,實際廢水脫色率達到 81%左右.數(shù)據(jù)顯示鎳改性海綿鐵感應熱固定床不僅對偶氮染料直接紫D-BL廢水表現(xiàn)出高脫色率,對酸性類廢水和實際染料廢水也表現(xiàn)出了良好的脫色效果,為海綿鐵感應熱固定床應用到染料廢水的處理中提供了一定的理論依據(jù).

圖9 不同類型染料廢水脫色率的變化Fig.9 Variation of decolorization percentage on different types of dye wastewater

3 討論

3.1 感應熱與非感應熱固定床對直接紫D-BL處理性能比較

進水水溫 30℃,不開啟感應加熱,考察非感應熱下海綿鐵固定床的染料廢水處理性能.其出水染料濃度變化如圖10,10min時出現(xiàn)了一個拐點,去除率達到了一個最高值,這是因為剛經(jīng)活化后的海綿鐵具有良好吸附性能,在廢水處理初期階段,海綿鐵的吸附絮凝作用增強了對染料廢水去除效果,使得染料廢水的降解在較短時間達到較好的效果.但隨著運行時間時間的延長,去除率下降較快,這是因為在非感應熱條件下海綿鐵對染料廢水的降解功能單一,且以吸附為主,很容易達到吸附飽和.同樣的水力條件下,開啟感應作用,考察感應熱的海綿固定床的染料處理性能.運行后 10min時出水濃度明顯下降,30min后出水濃度基本穩(wěn)定.表明感應熱引發(fā)的反應界面高溫對染料去除有明顯的促進作用.在感應熱條件下,海綿鐵對染料廢水的去除率一直保持在較高水平,這是因為除了海綿鐵原有的吸附絮凝作用,電化學作用占據(jù)了主導地位.啟動感應熱裝置后,海綿鐵表面活性金屬構成許多微小的原電池組.整個運行過程中,出水溫度有相當可觀的提高,約15min后達到熱量平衡,由30℃上升至84.2℃.

圖10 感應熱和非感應熱的直接紫D-BL處理性能比較Fig.10 Comparison of treating performances to direct violet of FBR and IHBR

3.2 Ni-SI反應前和反應后SEM-ES分析

從圖11(a)中可以看出,反應前海綿鐵表面有許多微空隙的疏松結構,比表面積很大.由圖11(b)可以看出,Ni-SI在感應熱固定床中與直接紫D-BL廢水反應后,海綿鐵表面被包裹,部分表面空隙被覆蓋,顆粒之間主要以團聚態(tài)的形式緊密相連,由此推斷海綿鐵感應熱固定床催化還原直接紫D-BL反應是通過鐵的腐蝕作用,零價鐵被氧化成液態(tài)的鐵鹽或固態(tài)的氧化鐵.

圖11 Ni-SI反應前后的的SEMFig.11 SEM images of Ni/SI before and after reaction

對Ni-SI反應前后進行X射線能譜分析,結果顯示 Ni元素其在反應前后未發(fā)生明顯變化,變化較明顯的是Fe和O元素,反應前Fe和O的含量分別為92.28%和4.67%,反應后Fe的含量降低至91.23%,O的含量上升為6.76%,反應后Ni/SI中鐵的含量減少,氧的含量增多,這一結果與SEM的表征相符,正是零價鐵在反應過程中發(fā)生腐蝕形成鐵的氧化物或氫氧化物,使得 Ni/SI反應前后材料中氧的含量有了明顯增加.

3.3 SIHFB反應前和反應后UV-Vis分析

對海綿鐵感應熱固定床對直接紫D-BL降解過程的廢水在 190～700nm波數(shù)范圍內進行紫外可見掃描.反應時間分別是0,10,120min.由圖12可見,直接紫 D-BL在可見光區(qū)的最大吸收波長位于554nm處;紫外區(qū)的最大吸收波長位于220nm處.一般來說,波長在400～800nm之間的吸收是由偶氮基團 n-π*躍遷引起的,這也是偶氮染料產(chǎn)生顏色的原因,紫外區(qū)的吸收峰歸因于直接紫的苯環(huán)結構.在運行30min后,554nm處偶氮基團的吸收峰就已完全消失,但紫外 220nm處的吸收峰有明顯的降低,可能是具有給電性質的苯環(huán)部分破壞,引起苯環(huán)上的電子云密度下降,引起紫移現(xiàn)象,但是當反應120min 后溶液的的兩處吸收峰都完全消失,說明苯環(huán)也得到徹底降解.為了驗證這個結論,采用重鉻酸鉀法測定反應前后 CODCr,發(fā)現(xiàn)出水 CODCr,基本接近 0,說明經(jīng)過海綿鐵感應熱固定床處理后,染料分子已經(jīng)徹底降解.

圖12 直接紫D-BL廢水的UV-Vis掃描Fig.12 UV-Vis of direct blending purple (D-BL)

根據(jù)以上表征分析,海綿鐵感應熱固定床處理直接紫D-BL的機理分為兩個途徑,即吸附和還原催化降解兩個同時進行的過程,直接紫D-BL首先吸附在海綿鐵顆粒表面,接著鐵與水反應產(chǎn)生的氫氣在Ni的催化和局部高溫作用下產(chǎn)生大量的氫自由基,并與直接紫D-BL發(fā)生催化還原反應,使得分子中最毒性的共軛雙鍵[22-24]和苯環(huán)斷開,從而達到無害降解的效果.

4 結論

4.1 制備用于 IHFB的活化海綿鐵材料經(jīng)SEM、ES和ICP表征結果發(fā)現(xiàn),表現(xiàn)出良好的微孔結構;0.02mol/L鎳鹽和鈷鹽活化處理后,在其表面的鎳沉積量和鈷鹽沉積量分別為 0.51mg/g和0.23mg/g.活化處理方式對IHFB處理性能影響大小為:Ni改性>Co改性>酸活化.

4.2 在酸性進水條件、HRT的延長和增加進水水溫,有利于提高 0.02mol/L的 Ni改性海綿鐵IHFB對直接紫D-BL廢水的脫色率,在最優(yōu)運行條件下(100mg/L的直接紫D-BL,進水pH6～7,進水水溫為30℃,HRT為2.08min)運行35min穩(wěn)定后的脫色率可達93.5%.

4.3 在最優(yōu)運行條件下,IFHB對酸性黑 10B、直接大紅D-GLN和實際染料廢水的脫色率也分別達到82%、78%、81%,表明IHFB在染料工業(yè)廢水處理中具有良好的應用前景.

4.4 SEM-EDS技術對IHFB降解前后的材料表征結果發(fā)現(xiàn),Ni-SI催化還原直接紫D-BL反應是通過鐵的腐蝕作用,零價鐵被氧化成液態(tài)的鐵鹽或固態(tài)的氧化鐵.UV-Vis的結果表明,直接紫D-BL分子中的共軛雙鍵和苯環(huán)結構都得到了徹底的降解.感應熱誘導的微界面高溫很大程度上促進了染料徹底降解.

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Decolorization of dye wastewater with spongy-iron induction-heating fixed bed reactor (IHFB).

WANG Ming, LI

Jian-chao*, MAO Yong, LI Qing, XU Na, JIN Jing, ZHENG Wei (Department of Environmental Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China). China Environmental Science, 2014,34(2)：337～344

For the heterogeneous reactions of organic-pollutants in wastewater, a novel reactor, the induction-heating fixed bed reactor (IHFB) realizes the targeted energy transfers on the micro-interface of catalyst particles. Due to the high temperature on the solid-liquid phase interface deriving from the ferromagnetic heating, the degradation of aqueous organic pollutants was significantly promoted with the lower energy consumption. The decolorization experiments showed that the decolorization percentage could reach 93.5% after running 30minutes in the optimal reaction conditions, i.e. influent pH 6～7and 30℃, HRT of 2.08min. The UV-vis absorption peak of direct blending purple (D-BL) at 554nm disappeared after Ni-SI react with D-BL. SEM-EDS revealed the formation of iron oxide and iron hydroxides on the surface of Ni-SI after degradation of direct blending purple (D-BL) after D-BL reaction. A degradation mechanism of direct blending purple (D-BL) was proposed. First, molecular was adsorded on the surface of modified sponge iron, then the iron nanoparticles react with water to produce hydrogen radical by the Ni catalysis and local high temperature, finally the hydrogen radical destroied the most toxic conjugated double bond and benzene ring in D-BL molecular. In addition, in the optimal operation conditions, the decolorization percentages of the acid black (10B), the direct red (D-GLN) and the real dye wastewater reached 82%, 78% and 81% respectively. The study revealed that IHBF had a tremendous application potential in dye wastewater treatment.

sponge iron；induction-heating fixed bed；direct blending purple (D-BL)；decolorization；dye wastewater；degradation mechanism

X703.1

：A

：1000-6923(2014)02-0337-08

王 明(1988-),男,河南濟源人,陜西師范大學碩士研究生,主要研究方向為水處理技術與環(huán)境功能材料.

2013-05-06

國家自然科學基金資助項目(50309011);陜西省攻關計劃項目(2011K17-03-06);中央高校基本科研業(yè)務專項基金(JK200902019, GK201302034)

* 責任作者, 教授, jianchaolee@snnu.edu.cn