Fe/活性炭非均相催化过硫酸钾处理罗丹明B废水
2017-04-10周鑫，孙德栋，马红超，马春
周 鑫， 孙 德 栋， 马 红 超， 马 春
( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )
Fe/活性炭非均相催化过硫酸钾处理罗丹明B废水
周 鑫， 孙 德 栋， 马 红 超， 马 春
( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )
采用老化-煅烧的方法制备Fe/活性炭(Fe/AC)催化剂，利用X射线衍射(XRD)对Fe/AC催化剂进行了表征。考察了Fe/AC催化剂在非均相体系中催化过硫酸盐对罗丹明B的脱色效果。通过考察催化剂煅烧温度、硝酸铁的浸泡量、体系中催化剂的投加量、K2S2O8的投加量、温度、pH等确定体系的最佳条件，并对反应体系中的自由基进行了测定。结果表明，催化剂在0.6 mol/L硝酸铁浸泡量、煅烧温度为600 ℃时催化性能较佳；室温时，当Fe/AC催化剂投加量为1.5 g/L、K2S2O8投加量为0.6 g/L，在溶液初始pH的条件下，对罗丹明B处理2.5 h，脱色率达到80%；升高温度有利于罗丹明B的脱色，65 ℃时罗丹明B的脱色率达99%。
活性炭；铁；过硫酸盐；罗丹明B；非均相催化
0 引 言
染料废水因具有成分复杂、色度大、COD浓度高、毒性大、无机盐含量高、可生化性差等特点，长期以来染料废水一直是废水处理中难以克服的一个难题[1]。在当今污水处理的工艺中，染料废水一般通过物理工艺如凝聚、吸附或膜过滤的方式去除[2-3]。但物理方法不能彻底解决问题，所以染料废水的降解问题日益受到人们的关注,基于硫酸根自由基的高级氧化剂技术逐渐发展。
过硫酸盐被激活产生自由基的方法有紫外光、热、过渡金属等方法。传统一般采取均相体系，过渡金属以盐的方式加入体系中，但此方法对溶液的pH要求严格，使反应受到很大的局限。因此，非均相体系受到了广泛关注。本实验采用老化-煅烧的方法制备催化剂，在非均相体系中，应用催化剂活化过硫酸盐产生自由基对染料废水进行脱色。
1 实 验
1.1 材 料
罗丹明B(AR)，过硫酸钾，硝酸铁，叔丁醇，98%硫酸，无水乙醇，盐酸，氢氧化钠，去离子水。
1.2 方 法
1.2.1 脱色率的测定
称取100 mL配置好的100 mg/L罗丹明B，加入一定量的自制Fe/AC催化剂和过硫酸钾，放入一定温度的水浴锅中恒温搅拌，每隔一段时间取样，将样品离心后取上清液测定吸光度。
罗丹明B在波长为554 nm处存在最大吸收峰，因此测定罗丹明B反应后在此处的吸光度。
脱色率=(A0-At)/A0
(1)
式中：A0为罗丹明B初始时的吸光度；At为t时刻时取样测得的吸光度。
1.2.2 Fe/AC催化剂的制备
活性炭首先在60 ℃烘箱中干燥24 h。取2 g处理后的活性炭加入20 mL 1.0 mol/L硝酸铁，之后加入10 mL 50%的硫酸。将得到的混合物超声2 h，将充分混合后的溶液放入60 ℃的水浴锅中老化10 h，抽滤。将回收的残余物放入具有氮气保护的高温管式炉中，120 min内升温到600 ℃，并保持60 min。冷却后，将固体物质用去离子水清洗，将产物放入60 ℃烘箱中干燥24 h[4]。
由于活性炭易吸附空气中的水分和其他物质，制得的催化剂应密封保存，否则对接下来的实验会产生不良影响。
2 结果与讨论
2.1 Fe/AC催化剂的表征
2.1.1 XRD谱图分析
如图1所示，在衍射角(2θ)为30.19°、35.73°、43.25°、57.55°和63.03°处出现明显的衍射峰，与标准卡片比对发现，此衍射峰为Fe3O4的特征衍射峰[5]，说明通过老化-煅烧方法制备的催化剂中的铁以Fe3O4氧化物的形式负载在活性炭上(Fe/AC)。
图1 活性炭和活性炭负载铁的XRD图
2.2 不同反应条件对Fe/AC催化活性的影响
2.2.1 硝酸铁浸泡量
室温时，在罗丹明B的质量浓度100 mg/L、K2S2O8质量浓度0.6 g/L、Fe/AC投加量1.5 g/L、反应2.5 h的条件下，考察不同浓度硝酸铁浸泡制备的Fe/AC催化剂对罗丹明B脱色率的影响，结果如图2所示。
图2 硝酸铁浸泡量对脱色率的影响
由图2可以看出，当硝酸铁浓度从0.4 mol/L增加到1.0 mol/L时，罗丹明B的脱色率从67%增长到80%。当硝酸铁浓度继续增加，罗丹明B的脱色率出现降低趋势，当硝酸铁的浓度达到1.4 mol/L 时其脱色率为66%。
(2)
2.2.2 煅烧温度
如图3所示，随着煅烧温度的升高，罗丹明B的脱色率有所增加，500、600、700 ℃脱色率分别为74%、78%和80%。当煅烧温度由600 ℃上升至700 ℃时，罗丹明B的脱色率提升不显著。因此，确定Fe/AC催化剂制备煅烧温度为600 ℃。
图3 煅烧温度对脱色率的影响
2.2.3 Fe/AC投加量
由图4可知，随着Fe/AC投加量增加，罗丹明B的脱色率增大。当Fe/AC的投加量为1.5 g/L时，罗丹明B的脱色率达到80%。继续增加催化剂的投加量，罗丹明B的脱色率增加不明显。当Fe/AC投加量增至2.0 g/L时，罗丹明B的脱色率增至82%；继续增加Fe/AC投加量至2.5 g/L时，罗丹明B的脱色率增至84%，脱色效果增幅趋缓，因此确定Fe/AC的投加量为1.5 g/L。
图4 Fe/AC投加量对脱色率的影响
2.2.4 K2S2O8投加量
由图5可知，随着K2S2O8投加量的增加，罗丹明B的脱色率逐渐增大，当K2S2O8的投加量为0.6 g/L时，罗丹明B的脱色率达到82%，与0.4 g/L时的脱色率相比提升24%。当K2S2O8投加量增加到1.0 g/L时，罗丹明B的脱色率增幅趋缓，因此确定K2S2O8投加量定为0.6 g/L。
图5 K2S2O8投加量对脱色率的影响
2.2.5 初始pH
如图6所示，在较宽pH范围内，罗丹明B都保持着较高的脱色率，且差别不大。当初始溶液pH为11时，罗丹明B的脱色率从80%下降到49%。
图6 初始pH对脱色率的影响
2.2.6 反应温度
如图7所示，当反应溶液温度升高时，罗丹明B的脱色率升高。当反应温度达到65 ℃时，罗丹明B的脱色率接近100%。
图7 温度对脱色率的影响
实验结果表明，反应溶液温度升高，罗丹明B的脱色率逐渐增大，这是因为随着温度的升高，Fe/AC的活性增强，且二价铁活化过硫酸盐为吸热反应，促使脱色率升高[11]。此外，升温也活化过硫酸盐本身产生硫酸根自由基。
2.2.7 自由基
在其他物质投加量不变的条件下，分别加入过量的叔丁醇和乙醇，结果如图8所示。加入过量叔丁醇，罗丹明B的脱色率为69%；加入过量乙醇，罗丹明B的脱色率为48%。
图8 自由基淬灭剂对脱色率的影响
3 结 论
采用老化-煅烧的方法制备Fe/AC催化剂，XRD结果显示，铁以氧化物的形式负载在活性炭上，并且当硝酸铁的浸泡量为0.6 mol/L、煅烧温度为600 ℃时，催化剂的活性较佳。
在室温时，Fe/AC的投加量为1.5 g/L、K2S2O8投加量为0.6 g/L、初始pH的条件下，对100 mg/L罗丹明B进行脱色，2.5 h后其脱色率可达80%；温度升高能促进罗丹明B的脱色，65 ℃ 时脱色率达99%。
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Decolorization of Rhodamine B wastewater by potassium persulfate with Fe-loaded activated carbon in heterogeneous system
ZHOU Xin, SUN Dedong, MA Hongchao, MA Chun
( School of Light Industry and Chemical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )
The aging-calcination method was used to synthesis Fe/activated carbon (Fe/AC) catalyst and Fe/AC were characterized by X ray diffraction. The effect of Fe/AC catalyst with persulfate on the decolorization of Rhodamine B was investigated. Effects of calcination temperature, ferric nitrate concentration, Fe/AC dosage, persulfate dosage, reaction temperature and pH on the decolorization rate of Rhodamine B were determined. The results showed that the catalyst had better performance when the calcination temperature was 600 ℃ and the ferric nitrate concentration was 0.6 mol/L. The decolorization rate of Rhodamine B could reach to 80% when Fe/AC and K2S2O8dosage were 1.5 and 0.6 g/L in initial pH at room temperature for 2.5 h. The decolorization rate of Rhodamine B increased with the temperature, which could reach to 99% when the reaction temperature was 65 ℃.
activated carbon; iron; persulfate; Rhodamine B; heterogeneous catalysis
2015-11-04.
周 鑫(1990-)，女，硕士研究生；通信作者：孙德栋(1970-)，男，副教授.
X703
A
1674-1404(2017)02-0116-04
周鑫,孙德栋,马红超,马春.Fe/活性炭非均相催化过硫酸钾处理罗丹明B废水[J].大连工业大学学报,2017,36(2):116-119.
ZHOU Xin, SUN Dedong, MA Hongchao, MA Chun. Decolorization of Rhodamine B wastewater by potassium persulfate with Fe-loaded activated carbon in heterogeneous system[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(2): 116-119.
