碳毡电芬顿降解罗丹明B染料废水*
2020-08-13周紫荆陈雄建邱晓红陈日耀金延超
陈 晓 周紫荆 陈雄建 邱晓红 郑 曦 陈日耀 金延超
(1.福建师范大学环境科学与工程学院,福建 福州 350007;2.福建省污染控制与资源循环利用重点实验室,福建 福州 350007)
印染工业产生大量染料废水,严重威胁生态环境和人体健康[1]。尤其是使用量占比达70%左右的偶氮染料,光降解过程中产生的芳香胺类物质具有致癌、致畸、致突变等作用[2]。染料废水具有色度大、成分复杂、有机物浓度高、难降解等特点,使其成为水处理领域较难解决的问题之一[3]。
高级氧化技术在染料废水处理中展现出良好前景,其可以产生具有高氧化电位的羟基自由基(·OH)等活性氧簇(ROS),可以彻底降解污染物[4]。特别是电芬顿技术可以原位产生H2O2,解决了H2O2的生产、运输问题。溶解氧在阴极经过2电子还原过程生成H2O2,其和二价铁组成芬顿试剂,在酸性条件下产生·OH[5]。溶解氧在碳材料表面具有较高的2电子还原倾向,是常用的电芬顿阴极材料[4]。石墨毡含碳量高、电化学性质稳定、电导率高,同时其原料丰富,易于生产,价格低廉。因此,将其作为阴极进行电芬顿处理染料废水是处理染料废水的有效途径。
本文以石墨毡为阴极,钛基钌铱电极为阳极,研究电芬顿对染料罗丹明B的降解,探究碳毡电芬顿降解罗丹明B的最适条件,为染料废水处理提供新途径。
1 材料与方法
1.1 实验材料
钛基钌铱电极购于云轩金属材料有限公司;碳毡购于荆州浩特新材料有限公司;本实验所用的染料罗丹明B、七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、硫酸钠(Na2SO4)、硫酸等试剂均为分析纯,购自于国药集团化学试剂有限公司。
1.2 实验装置
实验装置如图1所示。
1-直流电源;2—钛基钌铱电极;3—碳毡电极;4—转子;5—磁力搅拌器
以碳毡为阴极(3×4×1cm3),钛基钌铱电极为阳极(3×4×0.1cm3),电极间距为4 cm;直流稳压电源供电,氧气鼓泡增加溶氧量;实验过程中使用磁力搅拌器搅拌(200 r/min),反应温度恒定(25 ℃)。
1.3 分析方法
使用分光光度法测定废水中罗丹明B浓度,配置不同pH、不同浓度的标准液,测定其在550 nm波长处的吸光度,计算罗丹明B标准线。废水处理一定时间后,污染物的降解率计算如下所示:
式中,C0——罗丹明B初始浓度(mg/L);C——反应一定时间后的罗丹明B浓度(mg/L)。
2 结果与讨论
2.1 氧气流量对罗丹明B降解的影响
如图2所示,氧气流量对电芬顿降解罗丹明B 具有显著影响。氧气流量为100 mL/min条件下,处理60 min,罗丹明B降解率为42.49%;将氧气流量增大至150 mL/min,降解率提高至74.49%;当氧气流量继续增大至200 mL/min,罗丹明B的降解率虽然进一步增大,但仅增大至87.40%。这是因为,与外加Fe发生化学反应,产生·OH的H2O2来源于溶解氧在阴极的二电子还原过程。增大氧气流量可以提高废水中溶解氧浓度,促进H2O2产生,进而提高罗丹明B的降解率[6]。因此,本实验过程中的最佳氧气流速为200 mL/min。
图2 氧气流量对罗丹明B降解的影响(pH=3,电流30mA,Fe2:5mg/L)
2.2 工作电流对罗丹明B降解的影响
如图3所示,在电流为20 mA条件下,罗丹明B 降解率为75.30%。增大电流可以显著提高罗丹明B降解率。当电流强度增加至30 mA时,罗丹明B降解率为87.40%;电流强度为40mA时,降解率升高至92.51%。由此可见,增大电流可以提高H2O2浓度,强化电芬顿过程,从而提高染料罗丹明B的降解率。然而,增大电流会增大工作电压,促进了H2O2分解,此外,也加剧了阴极析氢等副反应[7]。综合水处理能耗与成本,在本实验中,30mA为降解罗丹明B的最适电流。
图3 不同电流条件下罗丹明B的降解率(pH=3,氧气流量200mL/min,Fe2:5mg/L,Na2SO4:50mg/L)
2.3 Fe2投量对罗丹明B废水降解的影响
如图4所示,提高Fe浓度促进了罗丹明B的降解。这是因为电芬顿过程中的·OH来源于Fe催化H2O2分解。因此,提高Fe浓度有利于罗丹明B降解。当Fe从10 mg/L提高到20mg/L,罗丹明B降解率变化并不显著。芬顿体系由H2O2和Fe组成,说明在本实验过程中,Fe浓度并不是污染物降解的制约因素。本实验中,Fe的最佳浓度为10 mg/L。
图4 Fe2浓度对罗丹明B降解的影响(pH=3,氧气流量200mL/min,电流:30mA,Na2SO4:50 mg/L)
2.4 初始浓度对罗丹明B降解的影响
如图5所示,废水处理60min,初始浓度为50、100 mg/L的罗丹明B降解率分别为89.30%、70.05%。罗丹明B初始浓度越大,罗丹明B的降解速率越小,所需处理时间越长。
图5 不同初始浓度下罗丹明B的降解(pH=3,氧气流量200mL/min,Fe2:10mg/L,Na2SO4:50mg/L)
3 结论
本文以碳毡为阴极,研究了电芬顿对染料罗丹明B的降解。染料废水降解的最适条件为:氧气流量200 mL/min,Fe浓度10 mg/L,电流30 mA。废水处理60 min,罗丹明B降解率可达89.30%。结果表明,碳毡阴极电芬顿可以高效降解染料废水。
致谢:
本项目由福建省自然科学基金项目(2018J01672)资助,特此致谢!