電化學方法處理粒子元青染料廢水的研究

王曉盈 陳淑婷 王枷楠 楊富國

佛山科學技術學院環境與化學工程學院 廣東佛山 528000

隨著工業化進程的加快,水污染問題已成為各國政府和研究人員普遍關注的問題。含染料廢水是主要的環境問題之一,由于染料廢水含有毒或有害化學成分較多,有的難降解,有的色度高,是工業廢水回收再循環利用研究的難題,大量的工業(紡織、造紙或紙漿、食品、皮革)會產生含染料和懸浮顆粒等的廢水,且有些染料難以被微生物降解,對人類、水生生物和微生物有毒,其中許多具有致癌性、致畸性、誘變性。目前,染料廢水的處理有物理法、化學法、生物化學法,化學法包括:化學混凝法、電化學氧化法、高級氧化法等[1-4],電化學氧化法具有結構簡單、降解效率高、無毒害成分形成等優點。光電催化技術被認為是滿足日益增長的能源需求和提供有效的廢水處理的一種很有前途的高級氧化水處理技術,它通過協同效應,使電化學氧化法與光催化氧化法有機結合,半導體光催化劑的光催化活性有效得到提高,并明顯地阻止了光生電子空穴對的復合,可以高效氧化降解有機污染物。它不僅可解決電化學氧化中經常出現的電極鈍化現象,也克服了粉體光催化劑需后續分離的問題。

目前我國染料產量位居世界第一,世界染料總產量的六成在中國生產。同時,染料生產過程中,耗能高、污染大。據統計,在我國染料行業,廢水排放量大約是744m3/噸染料,染料中的10%～20%,在使用和生產過程中,被排入水體中。假如按我國染料生產總量計算,僅在2021年一年,隨廢水直接進入水體環境的染料,就有10萬～20萬噸。染料生產過程中,由于金屬、鹽類與聯苯胺類化合物、苯胺、蒽醌及苯系等物質螯合,產生的廢水大多含金屬離子和鹽,顯酸性或堿性,有的含氯化物或溴化物,染料廢水色度高、化學需氧量也高,是目前最難處理的有機廢水之一。我國水環境安全受到威脅的重要原因之一,是大量染料廢水,排入我國水體環境。

目前,處理染料廢水的常用方法有膜過濾法、化學法、生物法及物理吸附法,在這4種方法中,較為傳統的方法是物理吸附法,是指氣體或液體(流體)混合物中一種或多種組分,被吸附劑(一般是多孔固體)積聚或凝縮在其表面,進而達到分離的方法。常規的物理吸附法優點是可回收,缺點是處理效率較低,因此,如何提高其吸附效率是亟待解決的問題。

針對上述的技術問題,仇勇[5]提供一種用于染料廢水處理的吸附材料及其制備方法,采用靜電紡絲法制備的紡絲膜具有獨特的網狀結構和互相連通的孔道,首先在紡絲膜的表面,吸附染料分子,染料分子再進入紡絲膜的孔道內,主要依靠擴散作用,同時,因為紡絲膜有很高的孔隙率、比表面積巨大,可以大量提供與染料分子相互作用的吸附活性點位,使得紡絲膜對染料分子的吸附容量更高。

染料廢水是一種很難進行降解處理的廢水,因為其成分復雜、含有機物種類多。在印染過程中,酸、堿、無機鹽及染料等被大量使用,特別是染料,分子中含有極性基團、顯色基團等,結構也特別復雜,不易被降解,生物處理性也很差。假如在染料廢水中,含有一些萘、酚類物質,毒性就會增加,盡管通過各種處理手段,在廢水中還會殘留這些污染物。排出的染料廢水對人們的健康有危害,因為其含有大量的有毒有害化合物,水質也十分復雜,對大自然的生物生長也會造成不利影響,屬于有毒有害的有機污染物。

染料廢水具有吸光性,會使水的清澈度降低,水變得渾濁不清,降低了水生物的生存功能,傷害了水中的生物,對生態環境會帶來一定的影響。所以,染料廢水對人類、環境及自然生物都產生了一定的危害[6]。

大量的合成染料在紡織、皮革、造紙、塑料和橡膠等行業中用于產品著色,但實際的染色過程中僅有部分染料被有效利用,剩余部分則殘存于水中。此外,以氯化鈉和硫酸鈉為代表的無機鹽常作為染色助劑加入,以增強織物對染料的吸收而提高上染率,這樣即產生大量富含染料的高鹽度廢水。

未經合理處置的此類廢水直接排放,不僅是對水資源、有價值染料和無機鹽的浪費,而且還將嚴重威脅環境與人體健康。傳統的印染廢水處理方法主要有吸附、高級氧化、混凝/絮凝及生物降解等,但這些方法主要用于廢水中染料的去除,無法實現有價資源的回收[7]。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。實驗采用的水樣,為自配的粒子元青染料溶液,體積為500mL,電解陽極、陰極都采用Ti網,電解槽采用玻璃燒杯,槽中極板固定間距50mm。

圖1 實驗裝置

1.2 儀器與材料

1.2.1 實驗材料

粒子元青(原染料,天津市亞東化工有限公司);氯化鈉(分析純,佛山西隴化工有限公司);電解陽極、陰極(Ti網,創良科技有限公司)。

1.2.2 實驗儀器

紫外可見分光光度計(TU-1810型,北京普析通用儀器有限責任公司),直流穩壓電源(TPR-1510型,創良科技有限公司),恒溫磁力攪拌器(85-2型,鞏義市予華儀器有限責任公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 染料廢水的配制

用稱量紙稱取粒子元青25mg,放入燒杯中,加水溶解,準確稱取電解質氯化鈉,攪拌溶解后,用水定容至1L容量瓶中。

1.3.2 實驗過程

準確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開磁力攪拌器電源,啟動攪拌。調節好電解電源的電流,在不同的電解時間取樣,脫色率的測定方法為:實驗前,用可見分光光度計測定波長566nm處的吸光度(以下簡稱Abs),t時間時,同樣在波長566nm處測量廢水的Abs,染料脫色率計算公式為:

式中,A0為初始染料吸光度,At為t時間的染料吸光度。

2 結果與討論

2.1 電解時間的影響

準確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開磁力攪拌器電源,啟動攪拌。電流密度為2.5A/dm2,電解質濃度為25.0g/L條件下,實驗結果如圖2所示。

圖2 電解時間對色度的影響

粒子元青染料廢水的吸光度隨電解時間的變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出,粒子元青染料廢水的吸光度情況:0到10分鐘內,染料廢水的吸光度由原來的0.666降為0.339,通過公式計算,降解率為49.10%;10到20分鐘內,染料廢水的吸光度由0.339降為0.204,降解率為69.37%;20到30分鐘內,染料廢水的吸光度由0.204降為0.177,降解率為73.42%;30到40分鐘內,染料廢水的吸光度由0.177降為0.155,降解率為77.33%,降解率從73.42%升高到77.33%,這一時間段為色度的緩慢去除階段。

2.2 電解質濃度的影響

準確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開磁力攪拌器電源,啟動攪拌。電流密度為2.5A/dm2,添加電解質濃度分別為15.0g/L、20.0g/L、25.0g/L條件下,實驗結果如圖3所示。

圖3 NaCi濃度的影響

隨著電解的進行,吸光度的變化如圖3所示。由圖3可見,隨著電解質濃度由15.0g/L、20.0g/L,增加到25.0g/L,粒子元青染料廢水的吸光度逐漸減小,降解率增加顯著。在粒子元青染料廢水的濃度不變,電流密度不變,電解質濃度不同的條件下,電解質的濃度越高,粒子元青染料廢水的吸光度越小,降解率越大。電解質濃度為15.0g/L,電解40分鐘時,吸光度為0.278,降解率為58.26%;電解質濃度為20.0g/L,電解40分鐘時,吸光度為0.253,降解率為62.01%;電解質濃度為25.0g/L,電解40分鐘時,吸光度為0.151,降解率為77.33%。

2.3 電流密度的影響

準確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開磁力攪拌器電源,啟動攪拌。在電解質濃度為25.0g/L,電流密度分別為2.5A/dm2、3.0A/dm2條件下,實驗結果如圖4所示。

圖4 電流密度對降解率的影響

隨著電解的進行,粒子元青染料廢水降解率的變化如圖4所示。由圖4可見,隨著電流密度由2.5A/dm2增加到3.0A/dm2,粒子元青染料廢水的吸光度逐漸減小,降解率增加。電解質濃度為25.0g/L,電流密度為2.5A/dm2,電解40分鐘時,吸光度為0.151,降解率為77.33%;電解質濃度為25.0g/L,電流密度為3.0A/dm2,電解40分鐘時,吸光度為0.143,降解率為78.53%。通過比較,電流密度宜取3.0A/dm2。

2.4 染料初始濃度的影響

準確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開磁力攪拌器電源,啟動攪拌。在電解質濃度為25.0g/L,電流密度為2.5A/dm2,粒子元青染料濃度分別為25mg/L和50mg/L條件下,實驗結果如圖5所示。

圖5 染料初始濃度對降解率的影響

由圖5可以看出,在電解質濃度為25.0g/L,電流密度為2.5A/dm2,粒子元青染料濃度為25mg/L條件下,電解20分鐘時,粒子元青染料的降解率為69.37%,粒子元青染料濃度為50mg/L條件下,電解20分鐘時,粒子元青染料的降解率為61.81%;粒子元青染料濃度為25mg/L條件下,電解40分鐘時,粒子元青染料的降解率為77.33%,粒子元青染料濃度為50mg/L條件下,電解40分鐘時,粒子元青染料的降解率為74.66%。

3 結論

(1)在粒子元青染料的濃度不變的條件下,電流密度越大,電解質濃度越高,粒子元青染料的降解率越高。

(2)用電化學方法降解粒子元青染料廢水,以鈦網分別為陽極、陰極,采用NaCl為電解質,電解40分鐘,降解率達最大值。

(3)電化學氧化降解粒子元青染料廢水的最佳工藝條件為:進水濃度為25mg/L,電流密度3.0A/dm2,電解質濃度為25.0g/L,電解時間為40min,該條件下粒子元青的降解率為78.53%。