非均相 Fe/Al2 O3催化 H2O2降解偶氮染料活性黑5

王 艳，宋祖德，李孝洋，刘凯丽，胡宗林，姚 亮，王文强

(安徽科技学院环境科学与工程系，安徽凤阳 233100)

染料废水因为成分复杂、污染物浓度较高、生物毒性大，传统的物化法和生物法处理很难达到较高去除率的要求［1-2］。而且近年来染料的大量生产和使用，也进一步加大了染料废水处理的难度。

非均相Fenton技术克服了均相Fenton pH应用范围窄、反应过程中会产生大量铁污泥等缺点，而且具有易固液分离、操作简单、氧化能力强等特点［3］，处理高浓度、难生物降解的有毒有害废水方面表现出较大的优势，成为目前世界上水处理领域的研究热点，受到环境领域专家学者们的高度重视。

在非均相Fenton技术中，铁氧化物因其催化活性高、来源广泛和价格低廉成为广大学者研究的热点。活性氧化铝具有较大的比表面积和良好的吸附性能，常用作催化剂的载体［4-5］。本文将Fe固定在活性氧化铝上，以活性黑5为研究对象，考察了Fe/Al2O3催化H2O2降解偶氮染料废水过程中各操作条件对脱色效果的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

活性黑 5、FeSO4·7H2O、H2O2(30%)、球型活性氧化铝、H2SO4、NaOH均为分析纯。

pH-酸度计;721紫外分光光度计;SX2-1400马弗炉。

1.2 Fe/Al2O3催化剂的制备

称取适量FeSO4·7H2O于烧杯中，加入200 mL蒸馏水，搅拌溶解后倒入250 mL锥形瓶中，加入球型活性Al2O3，将锥形瓶置于振荡器上，振荡24 h后进行过滤，于110℃干燥2 h，350℃焙烧5 h。

1.3 实验方法

配制1 000 mg/L活性黑5模拟废水储备液。取一定量储备液于200 mL容量瓶内，加纯净水至刻度线，定容。然后倒入锥形瓶中，加入一定量的Fe/Al2O3催化剂，开启恒温振荡器，迅速加入设定量的H2O2，反应至所设定时间，取样，用NaOH溶液终止反应，采用分光光度法在591 nm处测定其吸光度值。

2 结果与讨论

2.1 氧化条件对脱色效果的影响

50 mg/L活性黑5染料溶液初始pH为3的条件下，加入浓度为200 mg/L H2O2时，对活性黑5溶液的脱色几乎不产生任何影响，H2O2氧化能力有限，很难让活性黑5在短时间内脱色;在活性黑5溶液中只加入1.5 g/L Fe/Al2O3时，有明显的脱色效果，说明Fe/Al2O3对活性黑5有一定的吸附性;同时加入Fe/Al2O3和H2O2时，脱色效果更加显著，说明Fe/Al2O3不但对活性黑5有较强的吸附性能，而且能催化H2O2分解，产生氧化能力很强的羟基自由基，从而提高了脱色率。

图1 在不同氧化体系下活性黑5的降解情况Fig.1 Degradation of Reactive Black 5 in the different oxidation conditions

2.2 pH对脱色效率的影响

当活性黑5初始浓度为50 mg/L，催化剂投加量为1.5 g/L，H2O2投加量为200 mg/L时，考察了溶液初始pH值对活性黑5脱色效果的影响，结果见图2。

图2 pH对脱色的影响Fig.2 Effect of pH on the decolorization

由图2可知，溶液初始pH值为3.0时，脱色效果最佳，脱色率为87%;而 pH=9时，脱色率为61.5%。Fe2+或催化剂表面的Fe(II)在酸性条件下容易催化H2O2的分解作用，并产生大量羟自由基;在中性和碱性的环境中，Fe2+会以氢氧化物的形式发生沉淀，抑制催化剂催化H2O2产生羟基自由基［6］，导致脱色率下降。当pH=2时，脱色速率低于pH=3时，因为pH值过低，溶液中存在大量H+，能与染料分子竞争羟基自由基，使得染料脱色受到抑制。

2.3 H 2O2投加量对脱色效率的影响

当活性黑5初始浓度为50 mg/L，催化剂投加量为1.5 g/L，pH值为3时，考察了H2O2投加量对活性黑5脱色效果的影响，结果见图3。

图3 H2 O2投加量对脱色的影响Fig.3 Effect of the H2 O2 dosage on the decolorization

由图3可知，脱色速率随H2O2投加量的增加而减小。H2O2是Fe/Al2O3/H2O2体系的氧化剂，同时也是羟基自由基的抑制剂。如果H2O2浓度过高，过量的H2O2会与目标污染物活性黑5竞争羟基自由基，导致活性黑5的脱色效果下降［2，6-7］。

2.4 催化剂投加量对脱色效率的影响

当活性黑5初始浓度为50 mg/L，H2O2投加量为200 mg/L，pH值为3时，催化剂投加量对脱色效率的影响见图4。

图4 催化剂投加量对脱色的影响Fig.4 Effect of the catalyst dosage on the decolorization

由图4可知，随着催化剂的投加量的增加，脱色速率明显加快。当添加量为0.5 g/L时，染料去除率最低，90 min时去除率只有58%;催化剂投加量2 g/L时，去除率最大，达到81%。这是因为H2O2自身无法使染料在短时间内脱色，主要依靠Fe/Al2O3催化H2O2分解产生氧化能力很强的羟基自由基来降解染料，而催化剂Fe/Al2O3投加量的增加，为H2O2的分解产生羟基自由基提供了更多的活性部位，使得H2O2在相同时间内分解产生了更多的羟基自由，羟基自由进一步氧化染料，导致染料的脱色率随催化剂投加量的增加而增加［6］。

3 结论

通过对比不同体系下活性黑5的脱色效果可知，单独H2O2在90 min内无法使得活性黑5溶液脱色;Fe/Al2O3对活性黑5有较强的吸附能力，而且能催化H2O2氧化降解活性黑5。在一定条件下，活性黑5的脱色率随催化剂投加量的增加而升高;而随 H2O2投加量的增加而降低。在 Fe/Al2O3/H2O2下，活性黑5在pH 2～9之间均有一定的脱色效果，活性黑5的脱色率随初始pH的增加而先增加后减少，其中在初始pH为3时，脱色效果最佳。

［1］ 郑展望，雷乐成，张珍，等.非均相 UV/Fe-Cu-Mn-Y/H2O2反应催化降解4BS染料废水［J］.环境科学学报，2004，24(6):1032-1038.

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［3］ Lin Zhirong，Ma Xiaohong，Zhao Ling，et al.Kinetics and products of PCB28 degradation through a goethite-catalyzed Fenton-like reaction［J］.Chemosphere，2014，101:15-20.

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［6］ 柴多里，刘忠煌，杨保俊，等.类Fenton试剂处理焦化废水［J］.化工进展，2009，28:103-106.

［7］ 杜婷，王三反，陈霞.固体催化改良Fenton法处理苯酚废水的研究［J］.环境科学与技术，2012，35(2):159-161.