Fe/AC非均相催化过硫酸氢钾与过碳酸钠共同处理罗丹明B废水

王 雪, 孙 德 栋, 陈 碧 琦, 马 春, 董 晓 丽, 郝 军, 张 新 欣

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

Fe/AC非均相催化过硫酸氢钾与过碳酸钠共同处理罗丹明B废水

王 雪, 孙 德 栋, 陈 碧 琦, 马 春, 董 晓 丽, 郝 军, 张 新 欣

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

以活性炭作为载体，制备出应用高级氧化技术的非均相催化剂复合物Fe/AC催化剂，采用X射线衍射对其进行了表征。结合过硫酸氢钾和过碳酸钠两种氧化剂催化氧化对RhB脱色处理进行研究，通过对催化剂投加量、氧化剂投加量和pH等影响因素的考察确定最佳条件，并根据自由基捕捉实验考察验证反应中自由基的种类。结果表明，45 ℃时，催化剂投加量为0.9 g/L，SPC投加量为0.15 mmol/L，PMS投加量为1.0 g/L，溶液pH为初始值，反应2 h后，0.1 g/L RhB的脱色率可达到90%。

废水；罗丹明B；过硫酸氢钾；过碳酸钠；Fe/AC

Abstract: A new heterogeneous catalyst was synthesized using activated carbon as the load body by advanced oxidation technology and characterized by XRD. The catalyst was used to degrade RhB with potassium monopersulfate triple salt (PMS) and sodium percarbonate (SPC) two kinds of oxidants together. The optimum conditions were determined by detecting catalyst amount, oxidant dosage and pH. Free radical types were determined by free radical capture experiments. The results showed the decolourization rate of 0.1 g/L RhB could reach to 90% with 0.9 g/L catalyst, 0.15 mmol/L SPC and 1.0 g/L PMS at initial pH for 2 h at 45 ℃.

Keywords: waste water; RhB; potassium monopersulfate triple salt; sodium percarbonate; Fe/AC

0 引 言

水污染是一种严重的环境污染，在工业生产过程中如电镀，纺织印染，制革，不锈钢生产，制造油漆、颜料、木材防腐剂等产生的废水经不恰当排放处理，已经对人类的生活和环境造成了恶劣影响[1]。其中染料废水是典型的含有难降解有机物的废水，成分复杂，浓度高，色度强，高毒性，存在持久，产生致癌、致突变的高风险[2]，虽然处理方法有很多，比如吸附、混凝沉淀、膜技术等[3]。但是由于某些染料的毒性和它们中间的微生物通过传统处理方法使其完全脱色是不可能的，因此越来越多的科学家和环保主义者开始关注染料废水的去除。近年来，基于硫酸根自由基的新型高级氧化技术，由于具有较高的氧化还原电位，远超过氧化性极强的羟基自由基[4]，使大多数有机污染物得到完全降解而备受青睐。非均相催化体系因为催化剂有较好的pH使用范围、环境友好、便于回收[2]等方面的优势被广泛应用。此外，过硫酸氢钾(PMS)和过碳酸钠(SPC)因易于处理、价格低廉、处理效果好[5-6]而被作为高效绿色氧化剂。作者通过高温煅烧，以活性炭作为载体制备催化剂，并通过此催化剂活化PMS和SPC产生自由基对RhB染料废水脱色进行了研究分析。

1 实 验

1.1 Fe/AC催化剂的制备

对活性炭进行预处理：将活性炭在0.1 mol/L 的HNO3中浸渍24 h后用去离子水反复冲洗至中性，放入烘箱干燥。

取0.5 g预处理后的活性炭与30 mL的1 mol/L FeSO4混合，在真空条件下匀速搅拌3 h，然后向其中逐滴加入0.2 mol/L硼氢化钠100 mL，继续搅拌30 min开始进行抽滤，用丙酮、乙醇、去离子水冲洗3次，将得到的固体产物干燥12 h，随后在氮气保护下煅烧，保证2 ℃/min上升至600 ℃保温1 h，用去离子水反复冲洗至中性放入烘箱干燥即得Fe/AC[7-9]，将其进行吸附饱和。

1.2 实验方法

向锥形瓶中加入100 mL 0.1 g/L的RhB溶液，再加入一定量的Fe/AC催化剂、PMS和SPC，将锥形瓶放入水浴锅内进行恒温恒速搅拌，按一定时间间隔取样并加入少许乙醇淬灭剂。将样品离心后取上清液测量吸光度。RhB的脱色率计算公式：

脱色率=(A0-A)/A0×100%

式中：A0为RhB初始浓度时的吸光度，A为t时刻取样测得的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的表征

图1为Fe/AC催化剂的XRD图谱，23°左右出现的是活性炭特征衍射峰，35.44°出现最为强烈的Fe3O4特征衍射峰[10]，说明此方法成功地将Fe以Fe3O4的形式负载在活性炭上。

图1 活性炭负载铁的XRD图Fig.1 XRD pattern of Fe/AC

2.2 Fe/AC投加量对RhB脱色率的影响

在室温条件下，SPC浓度为0.1 mmol/L，PMS质量浓度为0.5 g/L，改变Fe/AC投加量，反应2 h，考察Fe/AC投加量对RhB脱色率的影响。如图2所示，随着Fe/AC投加量的增加，RhB的脱色率逐渐增大，Fe/AC投加量大于0.9 g/L时，反应2 h后，RhB脱色效果相差不大。

图2 Fe/AC投加量对脱色率的影响Fig.2 Effect of Fe/AC dosage on decolorization rate

2.3 SPC投加量对RhB脱色率的影响

图3 SPC投加量对脱色率的影响Fig.3 Effect of SPC oxidant dosage on decolorization rate

2.4 PMS投加量对RhB脱色率的影响

图4 PMS投加量对脱色率的影响Fig.4 Effect of PMS oxidant dosage on decolorization rate

2.5 pH对RhB脱色率的影响

图5 初始pH对脱色率的影响Fig.5 Effect of initial pH on decolorization rate

2.6 温度对RhB脱色率的影响

图6 温度对脱色率的影响Fig.6 Effect of temperature on decolorization rate

2.7 对比实验

在温度为45 ℃，溶液pH为初始值时，分别用PMS，SPC，Fe/AC与PMS，Fe/AC与SPC，Fe/AC、PMS和SPC对0.1 g/L RhB进行脱色处理，效果对比见图7。由图可知，当Fe/AC、PMS和SPC共同作用时，相比其他条件的降解效果有显著的提升，脱色率可达到90%左右。

图7 不同脱色剂的对比实验Fig.7 Contrast experiments of different decoloring agents

2.8 自由基验证实验

图8 自由基淬灭剂对脱色率的影响Fig.8 Effect of free radicals quencher on decolorization rate

2.9 Fe/AC催化剂的重复使用效果

非均相催化剂可通过离心、分离、干燥等简单处理后被重复使用[15]，催化性能的优劣直接关系到实际工业的应用和发展[2]。每次实验结束后，将催化剂抽滤分离经烘箱干燥后用于下一次实验。由实验可得，随着重复实验次数的增加，催化剂反复利用导致其性能降低。这是由于在抽滤、干燥过程中，小颗粒的催化剂可能会发生少量的团聚，使物质在孔中沉积，出现堵塞[15-16]。但重复利用4次的催化剂仍能使RhB的脱色率达到80%。

3 结 论

在常温条件下，Fe/AC的投加量为0.9 g/L，SPC投加量为0.15 mmol/L，PMS投加量为1.0 g/L，pH为溶液初始值，对0.1 g/L罗丹明B进行脱色处理，2 h后其脱色率可达75%。此外，升高温度有助于RhB脱色，当温度达到45 ℃，其脱色率可达到90%。

自由基淬灭实验表明，Fe/AC可以同时催化 PMS和SPC产生硫酸根自由基和羟基自由基，并通过氧化作用使RhB脱色。

在非均相催化反应中，Fe/AC经4次循环使用后，RhB的脱色率仍能达到80%，说明该催化剂具有较好的稳定性和重复使用能力。

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DegradationofRhBbyFe/ACheterogeneouscatalystwithPMSandSPC

WANG Xue, SUN Dedong, CHEN Biqi, MA Chun, DONG Xiaoli, HAO Jun, ZHANG Xinxin

( School of Light Industry and Chemical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

X703.5

A

1674-1404(2017)05-0347-04

2016-06-28.

王 雪(1990-)，女，硕士研究生；通信作者：孙德栋(1970-)，男，副教授.

王雪,孙德栋,陈碧琦,马春,董晓丽,郝军,张新欣.Fe/AC非均相催化过硫酸氢钾与过碳酸钠共同处理罗丹明B废水[J].大连工业大学学报,2017,36(5):347-350.

WANG Xue, SUN Dedong, CHEN Biqi, MA Chun, DONG Xiaoli, HAO Jun, ZHANG Xinxin. Degradation of RhB by Fe/AC heterogeneous catalyst with PMS and SPC[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(5): 347-350.