铝炭微电解处理刚果红废水的脱色动力学研究

傅强根，孙　健（.广州城建职业学院，广东广州5095；.广东工业大学，广东广州50006）

铝炭微电解处理刚果红废水的脱色动力学研究

傅强根1，孙健2
（1.广州城建职业学院，广东广州510925；2.广东工业大学，广东广州510006）

采用铝炭微电解法处理刚果红废水。动力学研究结果表明，铝炭微电解降解刚果红的脱色过程符合表观二级动力学方程。刚果红脱色反应速率随着溶液初始pH、铝粉投加量、温度、摇床转速的增大而提高，随着铝炭质量比的降低先提高后降低。在温度为15~35℃范围内刚果红脱色反应活化能为17.75 kJ/mol。采用铝炭微电解法处理某纺织印染公司实际印染废水，实验表明，在pH为11~12范围内，废水COD去除率不低于50%，反应后出水基本无颜色。

铝炭微电解；刚果红；脱色；动力学；印染废水

刚果红是一种典型的双偶氮染料，被广泛应用于纺织、造纸和印染等工业。研究发现，大多数偶氮染料及其降解产物都具有高致癌性、难降解等特点〔1〕。因此，对于含此类染料废水的有效处理显得尤为紧迫。

铝炭微电解是近年来发展起来的一种水处理技术。有研究表明〔2-5〕，铝炭微电解处理强碱性印染废水的效果要显著好于铁炭微电解。目前有少量关于铁炭微电解降解污染物动力学方面的研究报道〔6-9〕，未见铝炭微电解降解污染物的动力学研究报道。研究化学反应动力学，可以根据反应速率来估算反应进行到某种程度所需的时间，或某一时刻反应物的浓度；也可以根据影响反应速率的因素，对反应过程进行控制〔10〕。因此，研究化学反应动力学具有重要意义。

本研究采用铝炭微电解体系研究了刚果红废水的脱色动力学，以期为铝炭微电解处理强碱性印染废水的实际应用提供基础依据。

1　实验部分

1.1实验材料

实验所用刚果红、盐酸、氢氧化钠、铝粉均为分析纯。废铝屑来源于广州某废品回收站，活性炭颗粒购于天津市科密欧化学试剂有限公司。为消除活性炭吸附作用的影响，使用前将其用废水浸泡48 h，风干备用。

刚果红模拟废水：采用刚果红试剂配制质量浓度为1 000mg/L的刚果红模拟废水，实验时稀释至所需浓度。

实际印染废水：取自某纺织印染有限公司调节池，其水质：COD 400~560mg/L，SS200~300mg/L，色度400~800倍，pH 9.5~10.5。

1.2实验方法

刚果红脱色动力学研究实验步骤：将200mL已调节好pH的一定浓度的模拟废水置于500mL锥形瓶中，将铝粉与处理后的颗粒活性炭以一定质量比加入到废水中，然后置于恒温摇床中以160 r/min（转速因素实验除外）振荡反应。每隔一定时间用注射器取样6mL，离心之后测其吸光度。

实际废水处理实验步骤：将200mL实际印染废水置于500mL锥形瓶中，调节pH分别为11.0、11.5、12.0，将废铝屑与处理后的颗粒活性炭以质量比1∶2加入到废水中，然后置于恒温摇床中以160 r/min振荡2 h。反应结束后调节出水pH为9，静置5min后，取上清液测其COD。

1.3分析方法

刚果红浓度的测定采用分光光度法，测定波长为496 nm。实际废水中COD的测定采用重铬酸钾滴定法。

2　结果与讨论

2.1刚果红废水脱色动力学研究

动力学研究实验各因素的选取及取值依据参考文献〔5〕。

本研究依据实验数据通过计算得到各因素条件下不同时间的Ct、ln（C0/Ct）、（l/Ct-l/C0）的值（Ct、C0分别为t时刻和初始刚果红质量浓度，单位均为mg/L），分别以Ct、ln（C0/Ct）、（l/Ct-l/C0）对时间作图，进行线性拟合来确定反应级数。结果显示，二级反应的线性相关性最好，故本研究对铝炭微电解处理刚果红废水的脱色过程按二级反应处理。

2.1.1温度

反应条件：废水初始pH为12，初始刚果红质量浓度为300mg/L，铝炭质量比为1∶2，铝粉投加量为20 g/L，温度分别为15、25、35℃。

以反应时间t（min）为横坐标，（l/Ct-l/C0）为纵坐标，对不同温度条件下刚果红脱色反应速率进行线性拟合，结果如图1所示，动力学分析结果见表1。

图1　不同温度条件下刚果红脱色反应速率拟合结果

表1　不同温度条件下刚果红脱色动力学分析结果

由图1和表1可知，刚果红脱色反应速率随着温度的升高而增大。利用Arrhenius公式计算可得铝炭微电解反应的活化能为17.75 kJ/mol。

2.1.2摇床转速

反应条件：废水初始pH为12，初始刚果红质量浓度为300mg/L，铝炭质量比为1∶2，铝粉投加量为20 g/L，温度为30℃，转速分别为40、80、120、160 r/min。

以反应时间t（min）为横坐标，（l/Ct-l/C0）为纵坐标，对不同转速条件下刚果红脱色反应速率进行线性拟合，结果如图2所示，动力学分析结果见表2。

图2　不同转速条件下刚果红脱色反应速率拟合结果

表2　不同转速条件下刚果红脱色动力学分析结果

由图2和表2可知，摇床转速对刚果红脱色反应速率有较大影响。以表2中的反应速率常数K对摇床转速V作图，如图3所示。得到拟合的方程为K=2.480 5E-6V－1.051 3E-5，R2=0.999 61。由K~V曲线可估算摇床转速在40~160 r/min范围内，刚果红脱色反应的速率常数。

图3　摇床转速与刚果红脱色反应速率的关系

2.1.3初始pH

反应条件：初始刚果红质量浓度为300mg/L，铝炭质量比为1∶2，铝粉投加量为20 g/L，温度为30℃。由于印染废水碱性强，且铝炭微电解在弱碱条件下处理效果不好，故本实验只考虑pH＞10的情况。调节pH分别为10.0、11.0、11.5、12.0。

以反应时间t（min）为横坐标，（l/Ct-l/C0）为纵坐标，对不同初始pH条件下刚果红脱色反应速率进行线性拟合，结果如图4所示，动力学分析结果见表3。

图4　不同初始pH条件下刚果红脱色反应速率拟合结果

表3　不同初始pH条件下刚果红脱色动力学分析结果

由图3和表3可知，在碱性范围内，刚果红脱色反应速率随着初始pH的增大而增大，尤其在pH＞11.5后，脱色反应速率增加得非常显著。究其原因，当溶液的碱性较弱时，铝粉的腐蚀量很少，只能产生少量的新生态还原［H］，因而刚果红的脱色反应速率低；随着溶液碱性的增强，铝粉的腐蚀速度明显加快，产生的新生态［H］显著增多，使刚果红的脱色反应速率迅速提高。但是，碱性过高会使铝消耗量大大增加，因而在实际工程应用中，应综合考虑处理效率与铝消耗量，选择合理的pH。

2.1.4铝炭质量比

反应条件：废水初始pH为12，初始刚果红质量浓度为300mg/L，温度为30℃，铝粉投加量为20 g/L，活性炭投加量分别为1.333、2、4、8、12 g，即铝炭质量比分别为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3。

以反应时间t（min）为横坐标，（l/Ct-l/C0）为纵坐标，对不同铝炭质量比条件下刚果红脱色反应速率进行线性拟合，结果如图5所示，动力学分析结果见表4。

图5　不同铝炭质量比条件下刚果红脱色反应速率拟合结果

表4　不同铝炭质量比条件下刚果红脱色动力学分析结果

由图4和表4可知，刚果红脱色反应速率随着铝炭质量比的降低先增大后减小。这是因为当铝粉投加量一定时，铝炭质量比越高，炭的质量就越少，体系中形成的原电池数量也就少，因而刚果红脱色反应速率低；随着铝炭质量比减少，体系中的原电池数量增加，反应速率随之增加。但铝炭质量比过低，体系中炭的质量相对过多，反而会抑制原电池的电极反应，导致反应速率低〔11〕。

2.2处理实际废水效果

按1.2实验方法，以废铝屑和活性炭为原料的微电解法处理实际印染废水，结果如表5所示。

表5　铝炭微电解法处理实际废水效果

由表5可知，在pH为11~12范围内，废水COD去除率不低于50%。同时观察到，反应后出水基本无颜色。可见，铝炭微电解法对实际废水具有较好的预处理效果。

3　结论

动力学研究表明，铝炭微电解降解刚果红脱色过程符合表观二级动力学方程。刚果红脱色反应速率随着溶液初始pH、铝粉投加量、温度、摇床转速的增大而提高，随着铝炭质量比的降低先提高后降低。在温度为15~35℃范围内，刚果红脱色反应活化能为17.75 kJ/mol。

采用铝炭微电解法处理某实际印染废水，在pH为11~12范围内，废水COD去除率不低于50%，反应后出水基本无颜色。

本研究采用铝炭微电解法处理刚果红废水及低浓度实际印染废水，虽然取得了较好的处理效果，但所做工作还很不完善，后期将进一步开展以下研究：

（1）设计反应器，进行实验室中试研究，通过动力学研究结果对反应进行控制。

（2）进行铝炭微电解法与生物、高级氧化等组合的工艺的研究。

（3）进行铝炭微电解法处理其他强碱性废水的研究。

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Research on the decolorization kinetics of the treatmentof Cango red wastewaterby alum inum-carbonm icroelectrolysis

Fu Qianggen1，Sun Jian2
（1.Guangzhou City Construction College，Guangzhou 510925，China；2.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Congo red wastewaterhas been treated by aluminum-carbonmicroelectrolysis process.The results of kinetics research indicate that the decolorization of Congo red by aluminum-carbon microelectrolysis complies with apparent second-order kinetics equation.The decolorization reaction speed increaseswith the increase of initial pH ofsolution，aluminum powder dosage，temperature，and rotating speed ofshakingbed；and increaseswith the decrease of Al/Cmass ratio firstly，and then decreases.When temperature is in the range of15-35℃，the Cango red decolorization reaction activating energy is 17.75 kJ/mol.Aluminum-carbon microelectrolysis process has been used for treating the actual printing and dyeing wastewater in a textile，printing and dyeing Co.The experiments show that when pH is in the range of11-12，thewastewater COD removing rate isnot lower than 50%.After the treatment，the effluent isbasically colorless.

aluminum-carbonmicroelectrolysis；Congo red；decolorization；kinetics；printingand dyeingwastewater

X703

A

1005-829X（2016）10-0076-04

傅强根（1987—），硕士研究生，讲师。E-mail：fqgscut@ 163.com。通讯作者：孙健，电话：13480273800。

2016-07-11（修改稿）