亚铁离子催化活化过碳酸钠降解甲基橙的研究

李富华 李润琪 江学顶 许伟城 钟嘉恒 陈静

摘   要：印染行业产生的印染废水，能被传统Fenton试剂法处理，此法存在一定缺点。基于此法的反应原理，本文采用过碳酸钠SPC代替过氧化氢H2O2，通过亚铁离子Fe（Ⅱ）催化SPC，探索在不同初始浓度、不同pH值、不同投药时间等条件下，Fe（Ⅱ）/SPC组合体系对甲基橙废水的降解影响。实验发现，pH=2.6，组合体系Fe（Ⅱ）/SPC组合体系浓度比为0.6mmol/L：0.4mmol/L，在废水中投加Fe（Ⅱ）/SPC组合体系的时间分别设置为0min，3min，可使甲基橙废水降解率达到97%。本实验探索出最佳的反应条件，为此方法的实际应用提供参考依据。

关键词：亚铁离子  过碳酸钠  降解效果  催化活化

中图分类号：X703                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0096-03

我国进行改革开放以来，印染业迅速发展，有机印染废水成为水体污染的原因之一[1]。印染废水中的有机污染物大量消耗水中溶解氧，严重影响水中生态环境，而沉降在水底淤泥中的有机物，发生厌氧分解反应从而产生大量硫化氢等有害气体，恶化水环境和大气环境。有机染料废水可以经过吸附法、氧化法、电解法和生物法等方法进行处理[2]，Fenton试剂法作为一种化学氧化法，对有机染料废水的处理也有一定的成效。但许多学者发现传统Fenton试剂法存在一定的缺点，反应过程中要求pH过低，亦产生大量的铁泥，形成二次污染[3]。因此，寻求更加环保、更高效的处理印染废水的方法成为许多研究者的研究热点。本文主要以甲基橙有机染料废水作为主要的污染物，以亚铁离子（Fe（Ⅱ））为催化剂、以过碳酸钠（SPC）代替过氧化氢（H2O2）为氧化剂，探索Fe（Ⅱ）与SPC组合体系对甲基橙有机染料的降解情况。为改进传统Fenton试剂法作出贡献和参考。

1  材料与方法

1.1 实验试剂与仪器

试剂：甲基橙，碳酸钠，浓硫酸，过碳酸钠，30%过氧化氢，硫酸亚铁，氢氧化钠等，均为分析纯。

仪器：PHSJ-3F pH计，BS224S 电子天平，LC-DMS-H 磁力搅拌器，TU-181OSPC 紫外可见光分光光度计等。

1.2 分析及表征方法

使用去离子水配制0.3mmol/L的甲基橙溶液，利用1%稀硫酸以及0.1mol/L氢氧化钠调节pH，筛选出最佳反应组合体系以及考察Fe（Ⅱ）、SPC最佳初始浓度和最佳pH对降解的影响。采取紫外可见分光光度法检测甲基橙溶液的吸光度，检测波长设置为464nm。

2  结果与讨论

2.1 Fe（Ⅱ）、SPC初始浓度对甲基橙溶液的降解效果的影响

在Fe（Ⅱ）/SPC体系中，保持SPC的浓度为0.3mmol/L、甲基橙溶液浓度、溶液pH不变，Fe（Ⅱ）的浓度分别设置为0.1、0.3、0.6、0.9、1.2mmol/L，结果如图1所示。

当Fe（Ⅱ）的初始浓度定为0.1mmol/L和1.2mmol/L时，Fe（Ⅱ）/SPC对甲基橙溶液的降解率不高，都处于5%以下，效果不太理想;而当Fe（Ⅱ）的初始浓度设为0.9mmol/L时，对甲基橙的降解率达到15%;当Fe（Ⅱ）的初始浓度设为0.3mmol/L时，反应到15min时，对甲基橙的降解率能达到25%，随着反应时间的加长，降解率能达到34%;当Fe（Ⅱ）的初始浓度设为0.6mmol/L时，反应到5min时，对甲基橙的降解率达到33%，随后25min，降解率基本稳定在33%。综上，保持SPC浓度不变、pH值不变、其他影响因素不变的情况下，Fe（Ⅱ）的初始浓度设置为0.3mmol/L、0.6mmol/L时，对甲基橙降解效果好。

保持Fe（Ⅱ）浓度为0.3mmol/L、溶液pH不变，SPC的浓度分别设置为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8mmol/L，结果如图2所示。

SPC的浓度处于0.4、0.6、0.8mmol/L时，与Fe（Ⅱ）反应，对甲基橙溶液的降解效果不太理想，降解率都低于5%。当SPC的浓度处于0.1mmol/L时，反应到5min时，对甲基橙的降解率达到30%，随后25min内，降解率都稳定在30%左右，变化幅度不大;而当SPC的反应浓度处于0.2mmol/L，反应30min，对甲基橙溶液的降解率达到40%。SPC浓度处于0.2mmol/L，反应效果最好。

综上，当Fe（Ⅱ）的反应浓度设为0.3mmol/L、SPC的浓度设为0.2mmol/L，此时得到Fe（Ⅱ）：SPC=3∶2的比例，相比于其他比例，这种比例对甲基橙的去除能达到比较好的效果。

2.2 初始pH对反应体系的影响

Fe（Ⅱ）与SPC的浓度比为0.3mmol/L：0.2mmol/L，考察不同pH对降解效果的影响，pH分别为2.6、4.6、5.6、6.6、8.6的情况下，结果如图3所示。

从图3得知，当反应溶液pH處于4.6、5.6、6.6、8.6时的降解效果都处于40%以下，当溶液pH调到2.6时，反应到9min降解率就达到了90%，随着时间的增加，最终降解率能达到95%。所以说，当反应溶液的pH值处于2.6时，极大地提高了降解效果。

2.3 Fe（Ⅱ）/SPC组合体系的初始浓度比对反应体系的影响

在Fe（Ⅱ）与SPC的摩尔比为3∶2，pH设为2.6时，考察不同浓度的Fe（Ⅱ）和SPC对降解效果的影响。同时，设置一组Fe（Ⅱ）/H2O2于pH=2.6的反应条件下的对比实验，比较Fe（Ⅱ）/H2O2、和Fe（Ⅱ）/SPC两组组合体系在pH较低的条件下的降解效果。

从图4可以看出，pH=2.6时，反应到5min时，Fe（Ⅱ）/H2O2对甲基橙的降解率上升到35%，随后10min内，基本保持在40%。同等条件下，Fe（Ⅱ）/SPC的降解率能达到50%。所以说，保持pH相同，浓度比相同的情况下。Fe（Ⅱ）/SPC组合体系与Fe（Ⅱ）/H2O2组合体系相比，Fe（Ⅱ）/SPC组合体系对甲基橙的降解效果更好。

而Fe（Ⅱ）：SPC=1.2mmol/L：0.8mmol/L，这种浓度比的降解效率基本保持在70%。Fe（Ⅱ）：SPC=0.6mmol/L：0.4mmol/L，这种浓度比的降解效率在反应达到6min时基本保持在80%，是整组实验中效果最好的一种。既节省了反应药品用量和反应时间，且降解效果很理想。所以Fe（Ⅱ）：SPC=0.6mmol/L：0.4mmol/L，效果最好。

2.4 分次加药对Fe（Ⅱ）/SPC体系的影响

在Fe（Ⅱ）和SPC的浓度为0.6mmol/L和0.4mmol/L时，将试剂平均分成两份，间隔3min加药，考察分次加药的效果，结果如图5所示。

由图5可见，将Fe（Ⅱ）和SPC一次投加到甲基橙溶液中时，反应到6min，降解率能达到80%，随着反应时间的增长，亦保持在80%左右。而将等量的Fe（Ⅱ）和SPC分次投加到甲基橙溶液中，反应到6min时，降解率能上升到97%，并保持在97%左右。在不改变药剂用量的情况下，采用分次加药的方法，能明显提高甲基橙的降解率，达到更加理想的处理效果。

3  结语

（1）保持其他条件不变，只改变Fe（Ⅱ）的初始浓度，当Fe（Ⅱ）的初始浓度设为0.3mmol/L，对甲基橙溶液的降解效果最好。同理，保持其他条件不变，只改变而SPC的初始浓度，当Fe（Ⅱ）的初始浓度设为0.2mmol/L时，对甲基橙溶液的降解效果最好。

（2）pH=2.6时，Fe（Ⅱ）/SPC体系对甲基橙溶液的降解效果最好。

（3）pH=2.6时，Fe（Ⅱ）：SPC=0.6mmol/L：0.4mmol/L，此浓度比对甲基橙溶液的降解效果最好。

（4）pH=2.6时，Fe（Ⅱ）：SPC=0.6mmol/L：0.4mmol/L，采用分次加药的方法，能够明显提高甲基橙的降解率。

参考文献

[1] 章单伟.纳米光催化材料的改性及降解有机染料废水研究[D].华中科技大学，2016.

[2] 郑冀鲁，范娟，阮复昌.印染废水脱色技术与理论评述[J].环境污染治理技術与设备，2000，1（5）：29-35.

[3] 陈智明.基于铁离子活化过碳酸钠氧化降解磺胺二甲嘧啶的研究[D].广东工业大学，2017.