黄铁矿活化过硫酸盐降解罗丹明B

熊玲，国晓波，程聪，陈绍华

(中南民族大学 资源与环境学院，武汉 430074)

染料广泛应用于纺织、食品、造纸、涂料、医药等领域[1]，染料生产和使用过程中排放的废水已成为最主要的水体污染源之一.罗丹明B(RhB)是一种应用广泛的染料，其毒性大，在环境中难降解、存在时间长，并且具有致癌、致畸和致突变[2]的性质，对人类健康和生态环境构成了严重的威胁[3].因此，急需研究高效、快速降解RhB的技术.

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4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O,

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本文利用天然矿物黄铁矿活化PS降解RhB，考察了黄铁矿用量、初始pH值、PS浓度以及水中常见阴离子对RhB降解效果的影响，并分析了在降解RhB过程中起主要作用的自由基.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

罗丹明B、过硫酸钠(上海阿拉丁)；甲醇、硫酸、氢氧化钠、碳酸氢钠、氯化钠、硝酸钠、硫酸亚铁(国药集团化学试剂)；所有试剂均分析纯，实验用水为超纯水.黄铁矿采自湖南某金属矿山，使用前磨碎，过100目筛，备用.

X射线衍射仪(D8ADVANCE型，德国布鲁克)；紫外分光光度计(UV-2600，日本岛津)；分析天平(BSA124S-CW，德国赛多利斯)；恒温振荡器(THZ-C，苏州培英)；酸度计(PHS-3C，上海雷磁).

1.2 实验方法

分别取150 mL的浓度为20 mg·L-1的RhB溶液于250 mL的锥形瓶中，用0.05 mol·L-1H2SO4和NaOH调节溶液的pH后在锥形瓶中加入适量的黄铁矿和PS.摇匀后放入转速为200 r·min-1、温度为28 ℃的恒温摇床中，定时取样10 mL，并迅速加入0.5 mL甲醇淬灭其反应，混匀后，过0.45 μm的微孔滤膜后在554 nm处测定RhB的吸光度，每组实验同时做2个平行样，结果取两次平均值.

2 结果与讨论

2.1 黄铁矿成分及其性质

通过XRF测得黄铁矿的化学成分为(质量分数)：w(S)=52.97%，w(Fe)=45.94%，w(SiO2)=0.77%，w(Cr2O3)=0.07%，w(Al2O3)=0.08%，w(CaO)=0.09%，w(As2O3)=0.06%，w(K2O)=0.02%.X 射线衍射图谱如图1所示.由图1知：在2θ=28.85°、33.26°、37.30°、40.99°、47.64°、56.47°、59.23°、61.88°、64.48°、76.79°和79.14°时出现衍射峰，分别对应于标准黄铁矿的(111)、(200)、(210)、(211)、(220)、(311)、(222)、(230)、(321)、(331)和(420)晶面，这与标准XRD 数据相一致[10].

图1 黄铁矿的X 射线衍射图谱Fig.1 XRD pattern of pyrite

2.2 不同反应体系对RhB的降解效果

不同反应体系对RhB的降解效果如图2(a)所示.

图2 不同反应体系对RhB的降解效果Fig.2 Degradation effect of different reaction systems on RhB(a) 不同反应体系下RhB的降解效果；(b) 黄铁矿和Fe2+活化PS降解RhB效果对比

由图2可知：单独黄铁矿作用下，180 min时，RhB去除率仅为6.99%，这归因于黄铁矿对RhB的吸附.单独PS对RhB的降解能力有限，180 min时，RhB的去除率仅为18.83%，这主要是因为PS的氧化能力较低(E0=1.82 V).在黄铁矿和PS二者共同作用下，RhB可以快速降解，60 min时去除率高达83.02%，180 min时即可完全去除，这说明黄铁矿可以高效活化PS降解RhB.

2.3 黄铁矿用量对RhB降解效果的影响

黄铁矿用量对RhB降解效果的影响如图3所示. 由图3可知：随着黄铁矿用量的增加，RhB的去除率迅速增加.当黄铁矿用量为0.1、0.3、0.5、0.7、1.0 g·L-1时，RhB的去除率分别为24.91%，57.91%、91.78%、93.68%、100%.这是因为黄铁矿用量的增加会释放更多的Fe2+，进而产生更多的自由基加速RhB的降解.

图3 黄铁矿用量对RhB降解效果的影响Fig.3 Effect of pyrite dosage on RhB degradation

2.4 初始pH值对RhB降解效果的影响

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图4 初始pH值对RhB降解效果的影响和在反应过程中的pH值变化Fig.4 Effect of initial pH on RhB degradation and variation of pH during the treatment(a) 初始pH值对RhB降解效果的影响;(b)反应过程中pH的变化

2.5 PS浓度对RhB降解效果的影响

PS浓度对RhB降解效果的影响如图5所示.由图5可知：当PS浓度在0.1～0.5 mmol·L-1时，RhB去除率随着RhB的增大而显著增大.当PS浓度分别为0.1、0.3、0.4、0.5 mmol·L-1时，180 min时RhB的去除率分别为36.36%、40.86%、91.78%、100%.当PS浓度从0.5 mmol·L-1进一步增大至0.7 mmol·L-1时，RhB的去除率仅缓慢增加.因此，确定PS的最适浓度为0.5 mmol·L-1.

图5 PS浓度对RhB降解效果的影响 Fig.5 Effect of PS concentration on RhB degradation

2.6 共存阴离子对RhB降解效果的影响

图6 共存阴离子对RhB降解效果的影响Fig.6 Effect of coexisting anion on RhB degradation

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2.7 降解过程中的自由基和紫外可见吸收光谱

黄铁矿活化PS降解RhB过程中的紫外可见吸收光谱如图7(b)所示.RhB分子中存在CN和 CO键，在554 nm处有最大吸收波长[18].由图7(b)知：随着降解时间的延长，RhB的特征吸收峰逐渐降低，这说明RhB分子中的CN、CO 共轭结构被等自由基氧化破坏，在180 min时，554 nm处的吸光度为零，说明此时RhB分子中的共轭结构全部被破坏，由此推测在反应过程中RhB分子共轭结构逐渐被破坏并且有可能通过N位脱乙基形成其他小分子物质.

图7 不同淬灭剂对RhB的降解效果的影响和RhB降解过程中的紫外可见吸收光谱Fig.7 Effect of scavengers on RhB degradation and UV-visabsorption spectra of RhB degradation(a) 不同淬灭剂对RhB的降解效果的影响;(b) RhB降解过程中的紫外可见吸收光谱

3 结语