超声/沸石载钴活化过硫酸盐降解染料废水研究①

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(1.合肥供水集团有限公司,安徽 合肥 230011; 2.合肥学院生物与环境工程系,安徽 合肥 230601)

0 引 言

以橙黄II染料作为污染物，制备沸石载钴活化剂，研究活化剂投加量、初始pH等因素，对沸石载钴活化剂催化过硫酸钠去除橙黄II染料降解效率的影响，并且探究超声波对反应效率的强化作用。

1 材料与方法

1.1 实验仪器与试剂

实验仪器主要有：紫外可见分光光度计(AM1307004)；恒温振荡器(DKZ-2)；程序控温箱式电阻炉(SX2-2.5-12)；X射线衍射仪(TD-3500)；冷场发射扫描电子显微镜(SU8010)。

主要试剂有：天然沸石；过硫酸钠；橙黄II；硝酸钴；氢氧化钠；盐酸；甲醇，试剂均为分析纯。

1.2 沸石载钴活化剂的制备

取一定量粒径是100目的沸石投放到硝酸钴浸渍液中，让沸石在硝酸钴溶液里浸渍震荡12 h(恒温25℃)，再经105℃烘干，然后磨碎放入程序控温箱式电阻炉用10℃/min的速度进行升温，升温500℃后煅烧 2 h，自然冷却，对样品进行研磨再过100目标准分样筛，干燥以备使用。

1.3 染料废水橙黄II配制及测定

用橙黄II染料配制的溶液为染料废水进行研究。对不同浓度的染料废水进行200 nm - 800 nm的紫外-可见光谱扫描，观察可得波长484 nm时橙黄II溶液的吸光度达到最高。

2 结果与分析

2.1 沸石载钴活化剂的物化特性及其表征分析

2.1.1 活化剂物相组成分析

通过热解得到的沸石载钴活化剂试样的XRD图谱，如下图1所示。

图1 沸石载钴活化剂XRD图

如图1所示，沸石载钴样品有明显的二氧化硅衍射峰，以及对应的钴氧化物的衍射峰，除此之外并未发现其他物质的衍射峰，证明制备的活化剂是沸石载钴活化剂。

2.1.2 天然沸石和活化剂形貌

图2 天然沸石(a)和沸石载钴活化剂(b)扫描电镜图

用冷场发射扫描电子显微镜观察样品的表面特征，如图2所示，对比(a)和(b)图可见，沸石载钴活化剂相较于天然沸石的表面更光滑，表明钴能较好的负载在天然的沸石表面。

2.2 沸石载钴活化剂催化过硫酸钠降解染料废水性能研究

2.2.1 活化剂投加量对染料废水降解的影响

通过控制沸石载钴活化剂的投加量，进行对比实验，结果如图3所示。

图3 活化剂投加量对降解效果的影响

图4 初始pH对降解效果影响

图5 超声波对降解效果影响

由图3可知，沸石载钴活化剂对活化过硫酸盐效果影响明显，随沸石载钴活化剂加入量增多，染料去除效果明显提高。在未加入活化剂条件下，系统对橙黄II降解效果较差，60 min降解率为10 %，不加入活化剂只加入过硫酸盐，废水只能被部分降解，过硫酸钠本身虽然具有强氧化性，但是在常温条件里特性十分稳定，不会生成含强氧化性活性自由基，所以废水的降解效率不高。当加入0.5 g活化剂后，橙黄II降解效果明显提高，增加至60 min降解率提高至46 %。当活化剂投加量从0.5 g增加到2 g时，染料废水橙黄II降解率逐渐增加，降解率由46 %增加至92 %。这可能是因为更多沸石载钴加入量可以增加过硫酸钠分解活性位点，在反应时间相同时被氧化有机物量增大。当活化剂使用量由2 g增高到2.5 g时候，反应60 min降解率都是90 %以上，且变化幅度不大，因此实验所用活化剂加入量定为2 g。

2.2.2 溶液初始pH对橙黄Ⅱ废水去除的影响

调控橙黄II染料废水的初始pH，得到pH 2、4、6、8、10的染料废水进行实验，活化剂的加入量控制在2 g，用5%的沸石载钴活化剂，结果如图4所示。

由图4可知，当pH值为2时，反应系统对染料效果降解率最低，60 min橙黄II的降解率为64 %，随着pH的提高，橙黄II的降解率不断地提高，pH为10时，50 min橙黄II的降解率已达96 %。活化剂在活化过硫过硫酸钠反应过程中，pH的变化对染料橙黄II的降解影响明显，在反应过程中产生链式反应，在碱性条件下有利于反应产生硫酸根自由基，从而提高了反应系统对染料橙黄II的降解。

2.2.3 超声波对染料废水降解的影响

通过其他手段进一步提高活化过硫酸盐效率，实验采用超声波的方法进一步提高活化效率[12]，将50 mL初始浓度是100 mg/L的橙黄Ⅱ染料废水的pH值控制为10，投加2 g负载为5 %的沸石载钴活化剂，再迅速加入2 g的过硫酸钠，在室温下将其放入超声波清洗器中开始反应，结果如图5所示。

由图5可以得出，超声作用10 min，染料废水的降解是常规振荡下的2倍，几乎与常规振荡50 min时的降解效果相近，在10 min反应时间时橙黄II的降解率为93 %。超声波在反应体系中，可产生超声空化作用，与过硫酸盐发生反应，引发链式反应，形成自由基，对染料橙黄II进行降解，此外空化泡崩溃可产生强的冲击波对橙黄II中的苯环或者化学键进行破坏，使得橙黄II发生降解。

3 结 论

制备的沸石载钴活化剂具有较好的活化性能，当染料橙黄II废水的初始浓度是100 mg/L时，当钴负载量为5 %，沸石载钴活化剂的加入量为2 g，溶液的pH为10，过硫酸钠使用量为2 g的时候，橙黄Ⅱ的降解效果达到最佳，60 min去除率达到96 %。超声波对反应具有强化作用，反应时间为10 min时去除率即可达到93 %。该技术可应用于染料废水处理。

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