铁铜铝交联蒙脱土催化降解酸性橙II

罗晋朝，路　程，梁　博，赵彬侠（.陕西工业职业技术学院化工与纺织学院，陕西，咸阳7000；.西北大学化工学院，陕西，西安70000）



铁铜铝交联蒙脱土催化降解酸性橙II

罗晋朝1，路程1，梁博1，赵彬侠2
（1.陕西工业职业技术学院化工与纺织学院，陕西，咸阳712000；2.西北大学化工学院，陕西，西安710000）

摘要：采用离子交换法制备了Fe-Cu-Al交联蒙脱土（Fe-Cu-Al-MMT）催化剂，通过非均相氧化体系降解酸性橙II。考察了反应温度、反应时间、初始pH值、氧化剂H2O2的浓度和催化剂的投加量等因素对降解效果的影响。结果表明：在反应温度为60℃，反应时间90min，初始pH值为3.50，催化剂的投加量为0.5g·L-1，H2O2浓度为24mmol·L-1条件下，COD去除率可高达82.23%。

关键词：酸性橙II；交联；铁铜铝蒙脱土

酸性橙II是一种工业上应用广泛的偶氮染料［1］，分子中含有磺酸基，水溶性很好，排放到环境中滞留期很长不易被降解，并具有致癌性和致突变性。因此，选择典型染料酸性橙II为处理对象。

采用蒙脱土交联活性金属作为催化剂是近年来的研究热点［2］。本文采用蒙脱土为载体以离子交换法制备Fe-Cu-Al交联蒙脱土非均相催化剂。以偶氮染料酸性橙II为目标物配置模拟废水，采用过氧化氢协同法降解染料废水。考察了反应时间、反应温度、初始pH值、H2O2浓度和催化剂的投加量等工艺条件对COD去除率的影响。

1　实验部分

1.1催化剂的制备

（1）交联剂的配制将一定浓度的FeCl3、CuCl2和AlCl3按比例配置混合液。

（2）交联MMT的制备将交联剂直接滴加到粘土溶液中，然后陈化1d，离心洗涤至中性，在烘箱中低温烘干，然后在500℃焙烧4h研磨备用。

1.2实验过程

配置200mg·L-1的模拟废水。在烧瓶中进行催化剂降解酸性橙II的实验，加入一定量的催化剂，调节初始水样的pH值让模拟废水在恒温水浴锅中充分搅拌0.5h达到吸附饱和，然后加入H2O2。间隔一定时间取样分析模拟废水的COD值，最后取样测定铁、铜离子溶出量。

1.3分析方法

废水的化学需氧量（COD）采用重铬酸钾法测定，脱色率采用UV-4800型紫外/可见分光光度计，在最大吸收波长484nm处测定水样的吸光度。

2　结果与讨论

2.1反应时间和反应温度的选择

本实验以酸性橙II为处理对象配置100mL模拟废水，考察了在反应温度和反应时间对降解染料废水的影响。见图1。在20和40℃下，COD的最终去除率最高为45.71%和67.22%，在反应温度为60℃下，COD的去除率达到最大值为82.23%，而反应温度在80℃下时，COD的最终去除率反而下降只有70.40%，因此，适当提高温度会降低反应的活化能有利于加快反应速率，但过高的温度使H2O2直接分解为O2和水而失效，降低氧化剂H2O2产生高活性的羟基自由基的转换率［3］。

图1　反应温度对降解效果的影响Fig.1 Effect of different reaction temperature on the degradation effect

并且据图1可知，在60℃下，当反应进行到90min时，其COD的去除率为82.23%，继续延长反应时间到240min COD最终去除率为84.90%，COD去除率增幅不大。因此，选择反应的温度为60℃，反应时间为90min。

2.2初始pH值的选择

图2　初始pH值对COD去除率的影响Fig.2 Effect of initial pH on the COD removal

表1　初始pH值对活性组分溶出的影响Tab.1 Effect of initial pH on and Fe and Cu leaching

根据图2数据分析可知，水样的初始pH值对废水的处理效果影响很大，当pH值为6.0时反应90 minCOD去除率为6.25%。随着水样初始pH值下降COD去除率迅速升高，当pH值为3.50时COD去除率达到最大值82.23%。pH值为2.50在反应90min 的COD去除率达到87.65%；因此COD去除率随初始pH值数值下降而呈现增大的趋势，这可能与H2O2在不同废水pH值下的分解机理有关，在非均相催化体系中H2O2的催化分解如下：

此处X代表催化剂的表面

溶液中适量的H+会促使反应（2）正向进行，使氧化剂H2O2分解生成更多的HO·提高废水的处理效率，但从表1活性组分溶出数据分析，溶液pH值过低对催化剂的活性组分溶出影响很大，当pH值2.5时Fe3+溶出量为3.4501mg·L-1，Cu2+溶出量为2.7534mg·L-1，适当提高溶液的初始pH值大大的降低了活性金属的溶出。结合考虑催化剂的稳定性和活性选择初始pH值为3.50。

2.3H2O2浓度的选择

图3　H2O2浓度对COD去除率的影响Fig.3 Effect of H2O2dose on the COD removal

由图3知，当对反应溶液不加氧化剂H2O2反应90min，COD去除率仅为5.56%，但当H2O2浓度的逐渐升高，COD去除率呈现先增大再减少的规律，当H2O2浓度为12mmol·L-1时反应90min此时COD去

除率最低62.64%。当H2O2浓度上升为24mmol·L-1时，COD去除率达到82.23%，说明适当增加H2O2浓度，在催化剂表面活性位点将会吸附更多的H2O2分子产生大量活性基团HO·，有助于提高废水的降解率，但进一步升高H2O2浓度到36mmol·L-1这时过氧化氢存在自耗现象导致COD去除率反而下降［4］。根据COD去除率数据考虑选择H2O2的浓度为24mmol·L-1。

2.4催化剂投加量的选择

图4　Fe-Cu-Al-MMT投加量对COD去除率的影响Fig.4 Effect of Fe-Cu-Al-MMT catalyst dose on the COD removal

从图4可看出，在Fe-Cu-Al-MMT催化剂投加量从0.1g·L-1到2.0g·L-1增加时，其COD去除率随之加大。但当催化剂投加量达到0.5g·L-1时COD去除率达到82.23%，进一步增加催化剂的投加量COD去除率上升不明显，这应该是因为当催化剂量不足时，Fe-Cu-Al-MMT催化剂不足以使得H2O2分解成为氧化性较强的HO·，而当催化剂量超过5.0g·L-1时，由于H2O2的量一定，不能够产生更多的HO·用来氧化废水中的有机物，因此在考虑经济成本下选择催化剂投加量为0.5g·L-1。

3　结论

（1）以Fe-Cu-Al-MMT为催化剂协同过氧化氢降解酸性橙II，其最佳的工艺条件：反应时间90min,反应温度为60℃，初始pH值为3.50，催化剂的投加量为0.5g·L-1，H2O2浓度为24mmol·L-1条件下。

（2）采用催化剂催化氧化降解后，酸性橙II模拟废水由红色转变为无色，酸性橙II废水的色度几乎完全去除，COD去除率可达82.23%。

参考文献

［1］李国亭,曲久辉,张西旺等.光助电催化降解偶氮染料酸性橙II的降解过程研究［J］,环境科学学报,2006,26（10）:1618-1622.

［2］王学丽,王廷海,韩燕,等.硅层柱蒙脱土的制备［J］,工业催化, 2013,21（12）:37-39.

［3］郑怀礼,张占梅.双频超声辐射协同H2O2降解偶氮染料废水的研究.环境工程学报，2010,4（11）:2401-2405.

［4］艾先立,赵彬侠,张小里等. Fe/AC催化湿式过氧化氢氧化处理焦化废水［J］.环境工程学报，2011，5（8）: 1815-1819.

Fe-Cu-Al-MMT catalytic degradation of acid orange II

LUO Jin-chao1，LU Cheng1，LIANG Bo1，ZHAO Bin-xia2
（1.School of Chemical and Textile, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China；2.College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi'an 710000, China）

Abstract：In this work, clay pillared with Fe-Cu-Al was synthesized by ion exchange method and used as heterogeneous catalysts for catalytic wet peroxide oxidation degradation of acid orange II. The effects of the reaction temperature, the reaction time，the initial pH and the concentration of hydrogen peroxide and the dose of catalyst on the rate of degradation were investigated in detail. The results indicate that the reaction temperature was 60℃, the reaction time was 90min, the initial pH was 3.50 and the concentration of H2O2was 24mmol·L-1. The absorbance of wasterwater completely removed and the COD removal of waster water can high reach 82.23%.

Key words：acid orange II；pillared；Fe-Cu-Al-MMT

中图分类号：X703

文献标识码：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160574

收稿日期：2016-03-08

作者简介：罗晋朝（1987-），男，陕西咸阳，陕西工业职业技术学院，助教，硕士，研究方向：水污染处理与防治。