K修饰Cu/AC催化降解染料废水的研究

陈志挺 刘岑莹 连鸿斌 饶瑞晔 曾韦斌

(武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300)

0 引言

我国纺织行业排放的废水量巨大，其中印染废水组成成分复杂，水质多变，具有高COD，高毒性，难降解等特点。同时印染废水中含有染整过程中所流入的各种有机染料、表面活性剂等，大部分成分难以被传统微生物法降解。若没有经处理达标后排放，不仅会对生态环境造成严重的污染和破坏，而且容易通过动物和植物累计进入人体，对人体造成危害[1]。

目前印染废水的处理方法主要有混凝法、吸附法、氧化法、电化学法、生化法等等[2-5]。混凝法处理投加的混凝剂较多，同时排放的污泥量也大存在处理成本高，污泥后续处理的难度大的问题。吸附法对一些水溶性较好的染料吸附效果较好，但此方法会产生较多的泥渣，同样需要进一步处理。电化学法具有对环境温和，具有不产生二次污染等优点，但其过程能耗大等缺点使其尚未得到大范围的应用。生化法为传统处理方法，具有处理成本低等优点，但由于染料废水的复杂性，常需要物理化学法进行前处理，且对菌种的选育难度较大。

高级氧化法具有反应快速，不产生二次污染等优点受到广泛关注。本研究采用常温常压的湿式氧化法，以双氧水为氧化剂，通过浸渍法制备催化剂，对模拟染料废水进行影响因素探究。

1 实验部分

1.1 催化剂制备

称取等量多份(每份60g)的活性炭进行预先清洗，将其附着的炭粉清洗去除，干燥备用。称取一定量的硝酸铜和硝酸钾，配制成一定浓度的浸渍液，将清洗后的活性炭浸渍24小时。完成后在烘箱中干燥，接着在氮气氛围下于管式炉中280℃煅烧4小时后即得到K修饰Cu/AC负载型催化剂。

1.2 催化实验及方法

实验中以10mg/L浓度亚甲基蓝溶液作为反应液，双氧水添加量为0.5%，使用蠕动泵将反应液输入装有催化剂的层析柱中，每隔一段时间取样测试。

其中催化剂对亚甲基蓝溶液的脱色率计算如下：

式中：η为降解率；C0表示为反应前亚甲基蓝溶液的浓度；C为反应后t时亚甲基蓝溶液的浓度。

2 结果与讨论

2.1 Cu，K负载量的影响

图1 不同Cu，K负载量对催化性能的影响

采用不同Cu，K摩尔比浸渍煅烧得到的催化剂效果如图1所示。结果表明，Cu负载与K修饰都可以提升脱色效率，Cu:K为0.5mol:0.5mol配置的浸渍液制备的催化剂表现最佳，4h反应后脱色率仍能保持至75%以上。K在煅烧后形成氧化物，反应过程中转化为氢氧化物，对活性炭有一定腐蚀作用，提供更多活性位点[6]。Cu氧化物作为双氧水的催化剂，将双氧水催化分解为羟基自由基，将染料大分子氧化脱色。

2.2 反应液pH值的影响

实验结果显示，pH值对催化过程有明显的影响(图2)，pH大于7，脱色效率上升，但消耗大量的碱液调节，增加处理成本。当pH小于7时，由于部分Cu氧化物与酸反应流失，脱色效率下降。亚甲基蓝水溶液本身呈弱碱性，故选择pH值为7～9作为反应合适pH值。一方面保护催化剂活性组分稳定，另一方面结合脱色效率与经济性考虑。

图2 不同反应液pH对催化性能的影响

2.3 反应温度的影响

反应温度影响反应速率，温度较低，反应速率较慢。温度较高，能够提升催化效率，但同时会加快双氧水的自分解速率。本实验选取不同反应温度，分别为：30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，其降解率如图3所示。对比常温温度，温度高于后，脱色效率提升较大，达到95%以上。但当温度继续升高，则脱色效率提升不明显。综合经济性考虑，选择40℃作为最佳反应温度。

图3 反应温度对催化性能的影响

2.4 催化剂稳定性能探究

为考察催化剂在运行时的稳定性及连续使用寿命，设计24h连续反应实验。采用自制连续反应实验装置，在单因素最优的条件下进行，每隔一定时间取样进行脱色效率测试。其结果如图4所示。

图4 24h连续稳定实验测试

当反应进行到120～150min，废水脱色率已经达到了95%以上，之后降解率一直维持95%以上，保持稳定，出水水质接近透明，且此时出水CODCr去除率也达到了91.6%以上。结果表明，K修饰的Cu/AC具有较高的脱色率以及降解性能，并且具备良好的稳定性。

3 结语

通过浸渍煅烧法制备K修饰Cu/AC催化剂，探讨催化剂Cu，K负载量，反应液pH值，反应温度对亚甲基蓝模拟废水的处理情况。结果表明最佳反应条件为Cu：K为0.5mol：0.5mol，pH为弱碱性，温度为40°C时，对10mg/L模拟废水的脱色率可以达到95%以上，并且该催化剂具有稳定的处理效率。该结果一方面由于K的修饰使得活性炭表面具备更多的活性位点，增强其吸附性能，另一方面由于活性组分Cu在合适的条件下对双氧水进行催化分解，使得染料大分子被降解甚至部分被矿化。该催化剂具有反应快速，成本低廉，易制得等优点，但实际废水成分复杂，水量多变，还需对催化剂进行进一步的优化以适应实际情况，才可有望应用于印染废水处理。