直接黃R染料廢水的脫色研究

俞芊芊 蘇佳毅 王曉盈 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。

染料廢水因具有排放量大、色度高、可生化性差、難降解、毒性高等顯著特點,目前已成為較難處理的工業廢水之一。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。

傳統的廢水處理方法,如生物處理、吸附和混凝,并不能完全去除廢水中的污染物,而且存在成本高、用量大、效率低和二次污染的缺點。因此非常有必要研發成本低、降解效率高、低碳綠色的染料廢水處理技術。

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。它不僅可以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。

然而,采用光電催化氧化法降解污染物的效率并不高,這是因為多相光電催化反應產生的活性自由基數量低,以及傳質限制等。在紫外光照射或催化劑作用下,雙氧水能夠產生強氧化性羥基自由基,氧化降解有機污染物。文獻介紹,在TiO2/紫外光催化體系中添加雙氧水,可以通過同質氧化和多相光催化相結合的方式,產生大量羥基自由基,從而提高有機污染物的降解效率。在gC3N4可見光電催化降解亞甲基藍體系中,加入H2O2,能使亞甲基藍的降解率在2h內由35.92%提高至53.43%。因此,為了解決光電催化過程中活性自由基數量低的問題,可以向光電催化體系中添加雙氧水,從而有效提高污染物的降解率[5]。

印染行業隨著工業技術的發展而快速發展,染料廢水增加了水環境污染程度。這些染料廢水含有大量具有生物毒性的有機物,有的成分復雜、濃度高、色度大,水量大、分布廣、難降解物質多是染料廢水的特色,嚴重危害人類及水生生物的健康。目前染料廢水處理的方法主要有吸附法、膜分離法、化學混凝法、氧化法、電化學法、生物法。其中氧化法包括普通化學氧化法、Fenton法、光催化氧化法、濕式空氣氧化法、超臨界水氧化。光催化氧化法對染料降解較完全,不會造成二次污染。

二氧化鈦(TiO2)作為一種光催化劑,因其無毒、穩定性好、光化學性能優異而受到廣泛關注。然而純二氧化鈦對染料有較低的吸附性能,并且其在可見光區域沒有吸收從而限制了對陽光的利用。因此,開發一種高效、經濟的光催化劑就顯得非常重要[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,為自配的直接黃R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

直接黃R(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 配置模擬染料廢水

用稱量紙稱取直接黃R100mg,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直接黃R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400nm處的吸光度(以下簡稱Abs),t時間時,同樣在波長400nm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準確量取500mL直接黃R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

直接黃R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,直接黃R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0.365降為0.115,通過公式計算,降解率為68.49%;10到20分鐘內,染料廢水的吸光度由0.115降為0.110,降解率為69.86%;20到30分鐘內,染料廢水的吸光度由0.110降為0.108,降解率為70.41%;30到40分鐘內,染料廢水的吸光度由0.108降為0.106,降解率為70.96%,降解率從70.41%升高到70.96%,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直接黃R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 NaCl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,直接黃R染料廢水的吸光度逐漸減小,降解率增加顯著。在直接黃R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,直接黃R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0.174,降解率為52.35%;電解質濃度為20.0g/L,電解40分鐘時,吸光度為0.130,降解率為64.38%;電解質濃度為25.0g/L,電解40分鐘時,吸光度為0.106,降解率為70.96%。

2.3 電流密度的影響

準確量取500mL直接黃R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、1.25A/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,直接黃R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1.25A/dm2增加到2.5A/dm2,直接黃R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1.25A/dm2,電解40分鐘時,吸光度為0.153,降解率為58.08%;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0.106,降解率為70.96%。通過比較,電流密度宜取2.5A/dm2。

2.4 染料初始濃度的影響

準確量取500mL直接黃R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,直接黃R染料濃度分別為100mg/L和200mg/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,直接黃R染料濃度為100mg/L條件下,電解20分鐘時,直接黃R染料的降解率為69.86%,直接黃R染料濃度為200mg/L條件下,電解20分鐘時,直接黃R染料的降解率為64.94%;直接黃R染料濃度為100mg/L條件下,電解40分鐘時,直接黃R染料的降解率為70.96%,直接黃R染料濃度為200mg/L條件下,電解40分鐘時,直接黃R染料的降解率為65.32%。

3 結論

(1)在直接黃R染料的濃度不變的條件下,電流密度越大,電解質濃度越高,直接黃R染料的降解率越高。

(2)用電化學方法降解直接黃R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)電化學氧化降解直接黃R染料廢水的最佳工藝條件為:進水濃度為100mg/L,電流密度2.5A/dm2,電解質濃度為25.0g/L,電解時間為20min,該條件下直接黃R的降解率為69.86%。