铁炭微电解与过硫酸氢钾联用处理亚甲基蓝废水
2018-09-29孙德栋，骆丹，孙义才，王佳莹，何强，董晓丽，马春，郝军，张新欣
孙 德 栋， 骆 丹， 孙 义 才， 王 佳 莹， 何 强，董 晓 丽， 马 春， 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 )
0 引 言
铁炭微电解是在酸性条件下，利用铁和炭形成无数微小原电池的电势差与金属的腐蚀原理处理污染物，具有以废治废、效果稳定、填料对环境影响小等优点[8]。但这种工艺也有不足，比如铁屑表面容易钝化，随着处理时间的增加，铁炭微电解的效率会逐渐降低等。
以铁炭微电解为基础也衍生了很多与其他方法联用共同处理染料废水的技术。铁炭微电解中铁作为阳极发生了氧化反应，有Fe2+产生。因此可以把铁炭微电解与H2O2[9]或PDS[10]联用，利用电解过程产生的Fe2+活化过氧化物产生自由基处理难降解有机物。本研究采用铁炭微电解与PMS联用以强化其处理难降解污染物，利用亚甲基蓝(MB)作为目标污染物来模拟偶氮染料废水，铁炭微电解与PMS联用处理MB废水的效果，探寻适宜的工艺条件。
1 实 验
1.1 试剂与仪器
试剂：亚甲基蓝，分析纯，天津市光复精细化工研究所；活性炭粉，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；铁粉、氢氧化钠，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；过硫酸氢钾，分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司。
仪器：紫外-可见分光光度计，UV-1600，上海美谱达仪器有限公司；总有机碳分析仪，TNM-1，日本岛津；酸度计，FE20，梅特勒-托利多(上海)有限公司；超声波清洗机，SB-5200DT，宁波新芝生物科技股份有限公司。
1.2 实验方法
称取适量铁粉，研磨去掉其表面氧化膜。取100 mL已经配制好的MB溶液，转移至250 mL的烧杯中。室温下调节电动搅拌器至适当的速度，将铁粉、活性炭粉和过硫酸氢钾加入溶液中并开始计时，每隔一段时间进行取样，过滤后的样品分别用紫外分光光度计与总有机碳分析仪测量其吸光度与TOC值。
1.3 分析及计算方法
1.3.1 MB脱色率
用紫外-可见分光光度计测量MB溶液吸光度。经测量MB在664 nm处存在最大吸收峰，所以后续实验MB的吸光度在664 nm处测量。
脱色率=(A0-A)/A0
(1)
式中：A0为MB初始浓度的吸光度，A为在t时刻取样测得的吸光度。
1.3.2 TOC去除率
采用总有机碳分析仪对TOC进行测定，TOC的测定方法采用TC-IC法，即TOC=TC-IC，TC为溶液的总碳，IC为溶液的无机碳。
TOC降解率=(TOC0-TOC)/TOC0
(2)
式中：TOC0为MB的初始TOC值，mg/L；TOC为MB在反应终止时的TOC值，mg/L。
2 结果和讨论
2.1 反应时间对MB脱色率的影响
室温条件下,铁粉投加量为0.50 g/L，铁炭比为1/1，PMS投加量为0.50 g/L，研究反应时间对MB脱色率的影响，实验结果如图1所示。由图1可知，脱色率随着反应时间的增加而增大，前60 min脱色率增幅明显，脱色率可达到66.4%。而在60～80 min，脱色率仅仅增加到67.8%，增加趋势明显趋缓，所以后续实验的反应时间选择为60 min。
图1 反应时间对脱色率的影响
2.2 铁粉投加量对MB溶液脱色率的影响
图2 Fe投加量对脱色率的影响
2.3 铁炭比对MB脱色率的影响
图3 铁炭比对脱色率的影响
2.4 初始pH对MB脱色率的影响
图4 初始pH对脱色率的影响
2.5 PMS投加量对MB脱色率的影响
图5 PMS投加量对脱色率的影响
2.6 MB初始质量浓度对降解率的影响
如图6所示，随着MB浓度的逐渐升高，其降解率逐渐下降。-ln (ρ/ρ0)对反应时间的曲线图表明，降解过程近似符合一级反应动力学。由表1可知，当初始质量浓度从50 mg/L提高到150 mg/L，其反应速率常数从0.060 min-1下降到0.022 min-1。体系中PMS的投加量和铁炭微电解所产生的Fe2+量为定值，溶液中自由基含量相同，随着MB浓度的提高，会产生较多的降解中间产物，加剧了自由基的消耗，因此反应速率会降低。
图6 MB初始质量浓度对降解率的影响
表1 亚甲基蓝准一级动力学相关常数
2.7 亚甲基蓝紫外-可见吸收光谱分析
图7为MB溶液降解过程中随时间变化的紫外-可见光谱图。从图7可以看出，在664 nm处MB的特征吸收峰强度随反应时间逐渐降低，这说明MB分子的结构遭到了破坏，使得吸光度下降。从图中可以看出反应在10 min中以后亚甲基蓝的特征吸收峰发生了蓝移，造成这种现象的原因可能是亚甲基蓝反应过程产生了其他的中间产物，从而导致了特征峰发生偏移[18]。
图7 亚甲基蓝的紫外-可见吸收光谱
在室温、MB初始pH为3.0、铁粉投加量为1.00 g/L、铁炭比为1.5/1.0、PMS投加量为1.50 g/L、反应时间为60 min的条件下，对铁炭微电解、铁炭微电解-PMS降解50 mg/L的MB进行了对比研究，结果如图8所示。由图8可知，铁炭微电解与PMS联用时MB脱色率、TOC去除率均有显著提高，分别为90.0%和65.7%。因此，PMS对于铁炭微电解法具有明显的加强作用。
图8 2种方法对MB降解率与TOC去除率的比较
3 结 论
铁炭微电解与PMS联用降解MB废水(50 mg/L)的适宜工艺条件为：铁粉投加量1.00 g/L，铁炭比1.5/1.0，PMS投加量1.50 g/L，pH为3，反应时间60 min。
铁炭微电解与PMS联用降解MB废水的效果比较显著，在适宜条件下，MB的脱色率和TOC去除率分别达到90.0%和65.7%，与单独铁炭微电解相比分别增加了35.6%和30.3%。
铁炭微电解与PMS联用处理MB废水降解动力学近似符合一级反应，MB为50 mg/L时，其线性方程为-ln (ρ/ρ0)=5.71×10-2t+0.295，R2=0.97，反应速率常数为0.057 1 min-1。
