改性活性碳纖維電芬頓降解活性艷紅X-3B

周彩霞，尚秀麗

(蘭州石化職業技術學院 石油化學工程系，甘肅 蘭州 730060)

改性活性碳纖維電芬頓降解活性艷紅X-3B

周彩霞，尚秀麗*

(蘭州石化職業技術學院石油化學工程系，甘肅蘭州730060)

以石墨為陽極,改性活性炭纖維(ACF)為陰極, 采用電芬頓法降解活性艷紅X-3B染料廢水模擬廢水。研究了Fe2+濃度、pH值、電流密度對染料脫色率的影響，結果表明：陰極電芬頓法對活性艷紅X-3B染料廢水具有有較高的去除率,在最佳反應條件Fe2+投加量為1mmol/L , pH值為3.0，電流密度為7.5mA/cm2，反應時間為60min時，染料的脫色率可以達到97.6%。

電芬頓；活性炭纖維； 偶氮染料；活性艷紅X-3B

隨著紡織工業的迅速發展, 印染廢水已經成為水系環境污染的重要來源。目前，超過50%的染料是包含氮氮雙鍵的偶氮染料[1]，然而，偶氮染料廢水具有毒性、致癌性等特點，如果不經過處理直接排放，會對人體和水生生物造成嚴重的危害[2]?；钚云G紅X-3B是偶氮染料中具有代表性的一種，它廣泛用于棉、滌棉和滌棉混紡織物的染色[3]。傳統的污水處理方法不能完全降解廢水中的有機污染物且產生大量的污泥,造成二次污染[4]。電芬頓法是目前研究較廣泛的一種高級氧化技術[5-6]。與傳統芬頓法相比，電芬頓氧化法的優點是原位產生H2O2，避免運輸和存儲風險，提供更安全的操作環境[7]。ACF具有比表面積大，微孔豐富，能有效吸附有機物和陰陽離子等特點，是一種比較理想的陰極電極材料[8]。本文以改性活性碳纖維為陰極，采用電芬頓法降解活性艷紅x-3B模擬廢水，研究了Fe2+投加量、pH值、電流密度等反應條件對染料脫色率和溶液COD的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 儀器與試劑

活性艷紅X-3B，工業級，上海佳英化工有限公司；活性碳纖維(ACF)，由江蘇蘇通碳纖維有限公司提供；其他試劑均為分析純，購于天津大茂化學試劑廠。

COD 快速測定儀(連華5B-3B(V8) 多參數水質測定儀)，島津UV-1800紫外-可見分光光度計，用于檢測活性艷紅X-3B的濃度。

1.2 活性碳纖維的改性[8]

將AFC先用蒸餾水洗滌、浸泡、烘干后備用。用10mL濃度為8.5mol/L的H3PO4溶液在60℃的恒溫水浴中加熱6h,取出后水洗至中性，放入105℃的烘箱中干燥10h。

1.3 反應裝置及實驗過程

以石墨為陽極、飽和甘汞電極為參比電極、改性活性碳纖維為陰極；其實驗裝置如圖1所示。以0.05mol/L的Na2SO4作為支持電解質，取200mg/L的活性艷紅X-3B模擬染料廢水400mL，調節溶液的pH值，并在陰極以一定的速率通入空氣，通電時陰極將產生過氧化氫(H2O2)，如反應(1)所示[9]。

(1)

在電解反應過程中, 向反應體系投加一定量的Fe2SO4, 溶液中亞鐵離子(Fe2+)與過氧化氫反應生成強氧化劑羥基自由基(·OH)，同時得到Fe3+, 如反應(2)所示[10]。

(2)

(·OH)與廢水中的有機污染物如溶解性活性染料反應, 使其氧化分解為二氧化碳、水和無機離子，如反應(3)。

(3)

1.恒電位儀;2. 攪拌器;3.電解池;4.空氣泵;5.曝氣頭;6.輔助電極;7.工作電極;8.參比電極

1.4 分析方法

采用紫外-可見分光光度計測定溶液在538nm處的吸光度值來計算活性艷紅X-3B溶液的脫色率，計算公式如式(4)：

脫色率=(1-At/A0) ×100%

(4)

式中：A0為初始吸光度，At為在反應t時間的吸光度。

用COD 快速測定儀測定溶液的CODCr，COD去除率的計算公式如式(5)：

COD去除率=(1-CODt/COD0)×100%

(5)

式中COD0和CODt分別表示染料廢水初始的COD值和反應t時刻的COD值。

2 結果與討論

2.1 反應時間對活性艷紅X-3B脫色率和COD的影響

以50 mmol/L 的Na2SO4溶液為電解質，將濃度為200mg/L的活性艷紅溶液400mL加入到電解池中，再加入0.5mmol/L FeSO4,調節溶液pH值=3，在陰極通入空氣電解60 min，實驗結果如圖2所示。

圖2 活性艷紅X3B的脫色率和COD 去除率隨時間的變化

從圖2可以看出，活性艷紅的COD去除率和脫色率均隨降解時間的延長而增大。在電解50 min時，COD的去除率和脫色率分別達到41.2%和92.6%。隨著時間延長，活性艷紅的脫色率基本保持不變。同時，我們發現，在同一時間點上， COD去除率明顯低于其脫色率，這是因為羥基自由基，首先使染料的發色基團(偶氮鍵)斷裂，導致脫色，而COD的去除則需要破壞其含有的芳香環。

2.2 Fe2+投加量對染料去除效果的影響

圖3 Fe2+投加量對活性艷紅X-3B溶液脫色率的影響

根據反應方程式(2)，電芬頓反應中Fe2+濃度決定著體系中羥基自由基的數量，對整個反應起決定性的作用。圖3為投加不同濃度Fe2+的情況下，活性艷紅X-3B模擬染料廢水脫色率的變化曲線。從圖可以看出，隨著反應時間的延長，染料的脫色率不斷增大且增大幅度逐漸變小。Fe2+投加量對染料的脫色率變化亦有影響，當Fe2+濃度由0.2mmol/L增加到1mmol/L時,染料脫色率隨Fe2+濃度的升高而升高，這說明在陰極電芬頓反應中, Fe2+的催化作用非常明顯,可以促進·OH 的產生, 從而使染料的脫色率得到提高。而當Fe2+濃度大于1mmol/L時，染料脫色率隨著Fe2+濃度的升高反而下降。這主要是由于體系中Fe2+濃度過高對H2O2的消耗過多,自身被氧化為Fe3+,不利于羥基自由基的產生， 導致染料脫色率降低。

2.3 pH值對染料去除效果的影響

為了考察pH值對染料去除效果的影響，取200mg/L的活性艷紅溶液400mL為底物，加入0.5mmol/L FeSO4,調節溶液pH值=2、3、4、7，在室溫下電解60 min，染料的脫色率和pH值的變化曲線如圖4所示。

圖4 pH值對活性艷紅X-3B溶液脫色效果的影響

從圖4可以看出，隨著pH值的升高，染料的脫色率先升高后降低，電芬頓反應在pH值=3時效果最佳，染料的脫色率可以達到97.2%。當溶液中的H+濃度過高時會發生析氫反應。當H+濃度過少時, 陰極生成H2O2的反應不能進行, 同時投加到電解體系中的Fe2+會隨著pH值的變化而發生形態的變化，Fe2+氧化成的Fe3+與OH-離子反應生成氫氧化物沉淀而失去催化活性。

3 結論

(1)陰極電芬頓氧化法能夠高效地分解活性艷紅X-3B結構中偶氮鍵和萘環，提高廢水的可生化性， 該方法在處理難降解廢水時，具有快捷、經濟、高效的特點，在工程實際中具有很好的推廣價值。

(2)以ACF為陰極的電芬頓法處理活性艷紅X-3B, 反應的最佳條件為：pH值為3，FeSO4投加量為1mmol/L，反應時間為60min時，染料的最大脫色率為97.6%。

[1] Neamtu M, Siminiceanu I, Yadiler A, et al. Kinetic of decolorization and mineralization of reactive azo dyes in aqueous solution by the UV/H2O2oxidation[J].Dyes and Pigments, 2002, 53(2):93-99.

[2] 何文妍,馬紅竹,余 婕,等.電Fenton 方法在甲基橙染料廢水中的試驗研究[J].水處理技術, 2013，39(7)：17-22.

[3] 張先炳,袁佳佳,董文藝,等.芬頓法處理活性艷紅X-3B的試驗優化及降解規律[J]. 化工學報, 2013, 64(3):1049-1054.

[4] 劉 勇,崔樂樂,王嘉誠,等.過渡金屬氧化物修飾石墨氈陰極及電催化氧化性能測試[J].無機化學學報，2016，32(09)：1552-1558.

[5] Nidheesh P V, Gandhimathi R. Trends in electro-Fenton process for water and wastewater treatment: an overview[J]. Desalination,2012, 299:1-15.

[6] 尚秀麗,陳淑芬,甘黎明,等.電芬頓氧化法處理染料廢水的研究進展[J].毛紡科技，2015，43(11):35-38.

[7] Drogui P, Elmaleh S, Rumeau M, et al. Oxidising and disinfecting by hydrogen peroxide produced in a two-electrode cell [J]. Water Res., 2001, 35:3235-3241.

[8] 馬 楠,田耀金,楊廣平,等.改性活性碳纖維電芬頓降解苯酚廢水性能研究[J].環境科學, 2014, 35(7):2627-2632.

[9] Anam Asghar, Abdul Aziz Abdul Raman, Wan Mohd Ashri Wan Daud. Advanced oxidation processes for in-situ production of hydrogen peroxide/hydroxyl radical for textile wastewater treatment: a review[J]. Journal of Cleaner Production，2015，87(2) ：826-838.

[10] Idil Arslan-Alaton, Betul Hande Gursoy, Jens-Ejbye Schmidt. Advanced oxidation of acid and reactive dyes: Effect of Fenton treatment on aerobic, anoxic and anaerobic processes[J]. Dyes & Pigments , 2008,78(2):117-130.

[11] 肖 華, 周榮豐. 電芬頓法的研究現狀與發展[J].上海環境科學，2004(06):253-256

(本文文獻格式：周彩霞，尚秀麗.改性活性碳纖維電芬頓降解活性艷紅X-3B[J].山東化工，2017，46(16)：185-187.)

Modification of Activated Carbon Fiber for Electro-Fenton Degradation of Reactive Brilliant Red X-3B

Zhou Caixia, Shang Xiuli*

(Department of Petrochemical Engineering，Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology，Lanzhou 730060，China)

The electro- Fenton degradation was designed to treat the reactive brilliant red X-3B simulated wastewater with the graphite as anode and activated carbon fiber as cathode. The effect of the concentration of Fe2+, pH and current density for the decolorization rate of dye was examined. The results shows that it has a higher removal rate of the reactive brilliant red X-3B wastewater by cathode electro-Fenton method . The largest decolorization rate of dye can reach 97.6 % under the optimized conditions , when the dosage of Fe2+is 1mmol/ L, pH=3 and current density 7. 5mA/cm2.

electro-Fenton; activeted carbon fiber；azo dyes; reactive brilliant red X-3B

X703

：A

：1008-021X(2017)16-0185-03

2017-06-04

甘肅省高等學校科學研究項目(2015B-150)；甘肅省高等學?？蒲许椖?2015A-183)

周彩霞(1965—)，女，甘肅 蘭州，講師， 主要從事無機材料的開發與應用。