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

海峡科学 2020年6期

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。