Fe/活性炭纤维附着阴极内电解降解染料X3B性能研究

孙育平，吴龙华，徐继安，柯斌清，刘红丽

(武汉长江工商学院科亮生物研究院，湖北 武汉 430065)

1 引言

我国是染料生产大国，染料产量占世界产量的60%左右。但在染料生产过程中，每生产1t染料，将有2%的产品随废水流失，在印染过程中则损失更大，为所有染料的10%左右。这不仅造成了极大的经济损失，也给环境带来了严重的污染。一般染料废水可生化性差、色度高、酸碱性强;含盐量高、组分复杂、毒性强。由于现在染料朝着抗光解、抗热及抗生物氧化方向发展，从而使其处理难度加大［1］。目前染料废水处理主要方法有物理法(吸附法、膜分离法)、化学法(化学混凝法、化学氧化法、湿式空气氧化法、光催化氧化法)、生化法、电化学法等［2，3］。

2 实验部分

2.1 仪器和材料

BS110S电子天平(0.1 mg感量)(北京 Sartorius天平有限公司)，岛津UV2450紫外－可见分光光度计(日本岛津公司)，PHS－3C型精密酸度计(上海精密科学仪器有限公司)，DHG－9070A型电热恒温鼓风干烘箱(上海索普仪器有限公司)，DHG－9123A型电热恒温鼓风干烘箱(上海精宏实验设备有限公司)，UV－1100型紫外可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)，TDA温度控制仪(北京永光明医疗仪器厂)，JJ－1精密增力电动搅拌器(金坛市金科兴仪器厂)。活性艳红X－3B、活性炭纤维毡(ACF)、还原性铁粉为市售商用产品，分析测试用试剂均为分析纯。

2.2 实验装置和方法

配制不同浓度pH值为4的一系列X3B溶液注入到具塞锥形瓶中，加入一定量的支持电解质和经称重的面积均为6cm×3cm的活性炭纤维毡，于恒温振荡箱中恒温振12h后在511nm处测其吸光度，对ACF的吸附性能进行分析。

X3B降解实验装置容积为250 mL烧杯，将面积均为6cm×3cm的活性炭纤维毡包裹在电动搅拌头上，还原铁粉直接加入烧杯中 ，反应过程中不停地搅拌。将250mL pH值为4的浓度为1×10－4M的X3B溶液注入到反应器中，电动搅拌器搅拌2 h以达到吸附平衡，以消除吸附对降解反应的影响。反应过程中每隔一段时间取样3 mL，立即进行紫外分光光度计扫描，对X3B的降解反应进行定性定量分析［4～10］。

2.3 分析方法

(1)紫外－可见分光光度法。采用紫外可见分光光度计在200～800nm间进行波长扫描。

(2)扫描电镜分析。采用扫描电镜(SEM)放大100和1000倍下，进行活性炭纤维毡的表面分析。

3 结果和讨论

3.1 活性炭纤维的基本性能研究

3.1.1 活性碳纤维的表面形貌和稳定性

活性炭纤维(ACF)，外观呈毡状和丝状，黑色。它是一种以有机化学纤维为原料，经过碳化、活化等步骤加工而成的。用扫描电镜(SEM)对反应前后的ACF进行观察，如图1所示:其中图a1和图a2是反应前的扫描电镜图，图b1和图b2是用于降解反应后的扫描电镜图。从图a1、图b1可以看出:ACF表面比较平滑，具有明显的轴向裂纹可以增大它的比表面积;从图a2、图b2可以看出:ACF是很规则的微米线结构。比较反应前后的扫描电镜图，可以看出反应前后ACF的表面结构没有改变，说明它的化学结构很稳定。

3.1.2 活性炭纤维的表面吸附

图1 活性炭纤维的扫描电镜(SEM)

ACF的特征是具有巨大的比表面积、特有的微孔结构及多种官能团，因此它能通过物理吸附、化学吸附和物理－化学协同吸附等方式更有效地去除废水中的多种有机物。分别用ACF对不同体系进行吸附实验，得到图2所示的吸附等温曲线。曲线a、b、c分别是pH值为3时X3B溶液的吸附等温曲线、pH值为3时向X3B溶液中加入了电解质后的吸附等温曲线、pH值为7时X3B水溶液的吸附等温曲线。对等温曲线进行Langmuir方程拟合(式1)，Langmuir等温吸附方程的直线形式见公式(2)。

即Ce/Qe与Ce之间存在线性关系。Qe表示平衡浓度为Ce时，X3B在ACF表面的吸附量。

X3B是一种阴离子染料，溶液中的质子浓度大有利于ACF对X3B的吸附，所以在酸性条件下(如a曲线所示)吸附量比中性条件下(如c曲线所示)大。如图3所示:X3B在ACF表面的吸附符合Langmuir等温吸附模型，为单分子吸附，且在不同浓度下均能稳定的对X3B进行吸附，有利于内电解反应持续进行，即对X3B持续的进行降解反应。

图2 不同体系X3B在ACF的吸附等温曲线

3.2 反应的工艺条件的确定

3.2.1 最佳pH值的确定

分别用pH值为2，4，6的盐酸和pH值为8，10，12的氢氧化钠配置浓度为1×10－4mol/L的X3B溶液250mL 6杯，电动搅拌2h达到吸附平衡后分别加入20g还原铁粉，电动搅拌40min后取样，过滤测其吸光度，脱色率结果如图4。

由图4可知体系为碱性时去除效果很差，pH值越大脱色率越低，且有黄褐色沉淀生产。pH为4时脱色率能达到97.3%，无沉淀产生，故确定最佳pH值为4。

图3 不同体系Langmuir等温吸附方程拟合曲线

图4 pH值对脱色率的影响

3.2.2 最佳反应时间的确定

用pH=4的盐酸配置浓度为1×10－4mol/L的X3B溶液250mL，电动搅拌2h达到吸附平衡后加入还原铁粉20g，取搅拌时间为 0、10、20、30、40、50、60min 的样品，过滤后测吸光度，脱色结果见图5.

图5 反应时间对脱色率的影响

由图5可知，随反应时间增加脱色率越来越高，在40min时脱色率为97.3%，但反应时间达到40min后，脱色率变化不大，故确定最佳反应时间为40min。

3.2.3 最佳Fe粉量的确定

用pH=4的盐酸配置浓度为1×10－4mol/L的X3B溶液250mL 5杯，电动搅拌2h达到吸附平衡后分别加入 5、10、15、20、25g 的还原铁粉，电动搅拌每隔一段时间取样，过滤后测其吸光度，脱色结果见图6。

图6 铁粉投加量对脱色率的影响

由图6可知铁粉量为25g和20g时反应效果差不多，5g和10g时反应偏慢，15g脱色率不高，综合考虑铁粉投加量为20g时最合理。

3.2.4 最佳反应温度的确定

用pH=4的盐酸配置浓度为1×10－4mol/L的X3B溶液 250mL5 杯，分别在温度为 20、30、40、50、60℃恒温水浴下，电动搅拌2h达到吸附平横后，加入还原铁粉20g，继续搅拌40min后取样，过滤测吸光度，脱色率结果如图7。

图7 反应温度对脱色率的影响

由图7可知，当反应温度为20℃时，脱色率效果不佳，30℃时脱色效果最好，而30℃后，随温度上升脱色效果反而变差。故确定最佳反应温度为30℃。

3.2.5 最佳反应条件下的脱色率

最佳实验条件是:还原铁粉的投加量为20g、pH值为4、搅拌时间为40min、反应温度为30℃时，X3B脱色率能达到98.7%。

4 结语

(1)X3B在活性炭纤维(ACF)表面的吸附符合Langmuir等温吸附模型，ACF的化学结构在反应前后非常稳定，有利于反应持续进行。

(2)采用Fe/活性炭纤维毡内电解体系降解活性艳红X3B溶液的最佳实验条件是还原铁粉的投加量为20g、pH值为4、搅拌时间为40min、反应温度为30℃。

(3)采用Fe/活性炭纤维内电解体系降解浓度为1×10－4mol/L活性艳红X3B溶液时，在最佳条件下，脱色率可达98.7%。

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