助剂CR对C.I.活性红218废水处理探究

李海瑞,舒大武,2,*,潘 鹏,朱博轩,白赛豪,单巨川

(1.河北科技大学 纺织服装学院,河北 石家庄 050000;2.河北省绿色纺织技术创新中心,河北 宁晋 055550;3.陕西棉纺织技术期刊社,陕西 西安 710038)

活性染料是唯一能够与纤维素纤维发生共价反应的合成染料,在实际生产中主要采用间歇式浸染、冷轧堆染色和轧-烘-轧-蒸两相法进行染色。据报道,每染1 kg棉织物,需要消耗约0.6～0.8 kg NaCl或Na2SO4,0.1～0.2 kg Na2CO3,约120 L水,即便如此,活性染料的固色率仅有60%～65%[1]。冷轧堆染色具有工艺流程短、固色率高、节能减排效果显著的特点,但无法及时发现染色疵病且存在布面黑气问题[2-3]。两相法染色工艺可以实现批量连续化染色,产品质量稳定,但能耗高、固色液无机盐用量大,亟待解决[4]。染色过程中添加的无机盐、未固着的染料分子在水洗过程中都将以废水的形式排出,因此,活性染料染色具有废水排放量大、色度深、无机盐含量高的特点[5]。

国内外处理活性染料染色废水的方法主要包括:吸附法、膜处理法、絮凝法和萃取法等。活性炭作为最常见的吸附剂,通过氢键等作用进行吸附,提高了对染料的吸附率,可有效去除废液中的活性染料,但其成本较高,再生比较困难[6]。膜处理法操作简单、能耗低,可显著降低废水中的BOD、COD及色度,但需要与其他方法组合使用[7]。絮凝法处理技术成熟、操作简单、易管理,但采用絮凝法处理效率较低[8]。络合萃取技术能大幅度降低染色废水中的CODCr,提高其生物降解能力[9],解决活性染料废水不易达标排放的问题,但其需要在酸性条件下才能达到较高的萃取率,形成的酸性废水也增加了处理成本和工序。鉴于此,急需探索出一种实用、便捷、高效的处理染色废水的方法。

文中主要以C.I.活性红218为研究对象,揭示助剂CR对模拟废水色度去除规律,为解决活性染料有色废水奠定理论基础。以废水色度为评价指标,探究了处理温度、助剂浓度、废水p H值、无机盐NaCl和固色碱剂Na2CO3浓度对C.I.活性红218模拟废水吸光度的影响规律。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

碳酸钠(A.R,天津市科密欧化学试剂有限公司);氯化钠(A.R,天津市科密欧化学试剂有限公司);氢氧化钠(A.R,天津市科密欧化学试剂有限公司);盐酸(36%,天津欧博凯化工有限公司);助剂CR(工业级,珠海苣彩新材料科技有限公司);C.I.活性红218(力份200%,湖北丽源科技股份有限公司)。

C.I.活性红218分子结构式如图1所示。

1.1.2 仪器

TD2002c精密电子天平(天津天马衡基仪器有限公司);DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(河南省予华仪器有限公司);HHWO HH数显恒温水浴锅(常州国字仪器制造有限公司);UV-3200紫外-可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司);p H-100B p H计(上海浦春计量仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 配置模拟废水

准确称取1.00 g C.I.活性红218固体染料,加入40 g去离子水配置成标准染液。用移液管移取1.4m L标准染液并定容至500 m L容量瓶中,摇匀后测试其初始吸光度值为1.81,将该溶液作为模拟染液废水。

1.2.2 不同染液废水吸光度的测试

首先准备6个试剂瓶,分别加入50 m L模拟废水,放入60～100℃的水浴锅中处理。待瓶中温度达到水浴温度后,将0%～5%的助剂CR依次加入试剂瓶中,并用去离子水补充染液,使其总体积一致后,放入水浴锅中处理1～30 min,处理过程中测试废水吸光度值。

在探究p H值对废液吸光度的影响时,分别使用浓度为1 mol/L HCl和0.1 mol/L NaOH溶液调节废水p H值至3～11;探究无机盐浓度和碳酸钠浓度时将称量后的粉末直接加入废液中,搅拌溶解后使用。在没有特殊说明时,助剂CR浓度为3%,80℃条件下处理30 min。

2 结果与讨论

为探究助剂CR对C.I.活性红218废水处理效果,根据前期预试验结果,将处理温度、助剂浓度、废水p H值、碱剂和无机盐浓度作为探究条件,以废水吸光度和废水色度为评价指标,揭示助剂CR对废水色度的影响规律。

2.1 温度

为探明温度对废水色度的影响规律,在助剂CR用量为3%的情况下,将处理温度分别设定为60、80、100℃,研究C.I.活性红218废水吸光度随处理时间的变化规律,结果如图2所示。

图2 温度对C.I.活性红218废水吸光度的影响

如图2所示,当处理温度为60℃时,处理时间从1 min延长至30 min,C.I.活性红218吸光度值仅减少了19.34%,整体呈现缓慢下降的趋势。当处理温度为80℃时,随着处理时间的延长,废水中C.I.活性红218的吸光度值变化可分为:0～5 min、5～15 min和15～30 min三个阶段。与模拟废水吸光度值1.81相比,在这三个阶段中,C.I.活性红218的吸光度值分别降低了45.86%、26.52%和14.91%。对于100℃而言,C.I.活性红218吸光度值在1 min时已降低到0.39,处理5min时仅剩余0.09,残液颜色接近无色。显然,温度越高,废水吸光度值下降越明显,所需要的处理时间就越短。废水吸光度值反映的是废水中染料浓度的高低,吸光度值越小,表明废液中C.I.活性红218越少,也就是助剂对C.I.活性红218的去除率越高。

2.2 助剂CR浓度

将处理温度设定为80℃,助剂CR用量为0%、1%、3%、5%、7%,其他条件不变的情况下,研究30 min时C.I.活性红218废水在波长500～600 nm内最大吸光度值随助剂浓度的变化规律,结果如图3所示。

由图3可知,当助剂CR用量从0%增加至1%和3%时,吸光度值总体呈快速降低的趋势,分别降低了58.96%、77.87%,效果较为显著。继续增加助剂CR用量至5%和7%时,吸光度值虽呈下降趋势,但吸光度值差异较小。表明,助剂浓度越高,C.I.活性红218数量就越少,其主要原因是助剂CR对C.I.活性红218分子结构的破坏。但同时也说明,当助剂CR达到一定浓度时,继续增加助剂CR浓度,并不会大幅度降低C.I.活性红218的数量。本着节约经济的原则,同时根据废水中色度去除情况,因此将助剂浓度确定为3%。

图3 助剂CR用量对C.I.活性红218废水吸光度的影响

2.3 pH值

为揭示废水p H值对吸光度的影响规律,将废水介质中p H值分别设定为3、5、7、11,助剂CR用量为3%,在温度为80℃的条件下处理0～30 min后,测试C.I.活性红218的吸光度值,结果如图4所示。

图4 p H值对C.I.活性红218废水吸光度值的影响

由图4可知,在调节废液p H值至7的情况下,C.I.活性红218的吸光度值随处理时间的延长呈现逐渐减小的趋势,吸光度值减小速率几乎相同;当调节废液至酸性(p H=3)或碱性(p H=11)时,C.I.活性红218吸光度值降低速率发生显著改变。具体而言,处理时间从1 min延长至15 min时,酸性和碱性介质中的C.I.活性红218吸光度值降低速率明显高于中性,值得注意的是,在p H=3的染液中,吸光度值下降趋势最为显著。继续延长处理时间至30 min时,吸光度值下降趋势基本相同,但就吸光度数值而言,酸性条件所对应的吸光度值最小,碱性次之,中性最大,p H=3的吸光度变化趋势与纯染液(p H=5)最为接近。C.I.活性红218所对应的吸光度值越小,说明废液中残留的活性染料越少,即废液色度去除效果越好。从图4所示出的结果可知,助剂CR在酸性条件下对C.I.活性红218去除效果最好。鉴于活性染料染色基本都是在碱性条件下固色,试验过程中进行其他因素试验时,没有调节废液的p H值。

2.4 无机盐浓度

无机盐在一定程度上会消耗废水中的自由水,影响助剂与染料分子之间的碰撞机率,为了探究无机盐在整个废水处理体系的作用,选用助剂CR浓度为3%、温度为80℃条件下,研究NaCl浓度为0、10、20、50 g/L时C.I.活性红218废水吸光度的变化规律,如图5所示。

图5 NaCl浓度对C.I.活性红218废水吸光度的影响

如图5所示,当废液处理1 min时,NaCl浓度10 g/L对应的废液吸光度值略高于纯染液,20 g/L和50 g/L对应的吸光度值最小,表明无机盐浓度较高时,废液处理1 min时,吸光度值下降幅度较大。随着处理时间的延长,可明显看出,NaCl 10 g/L所对应的吸光度值在前10 min略高于纯染液,10 min之后两者几乎相同;当NaCl浓度提高至20 g/L时,废水吸光度值随处理时间延长产生了较大幅度的波动;继续提高NaCl浓度至50 g/L时,废水吸光度值始终低于纯染液。但值得注意的是,所有废液的吸光度值在处理时间为30 min时几乎相同,该试验表明,无机盐仅能够改变助剂CR对废水中染料分子的处理速率,不能改变其程度,可能的原因是无机盐溶解于废液时,消耗了废水中的自由水,改变了废液中C.I.活性红218的簇集状态,以致于助剂CR与其分子碰撞概率被改变。浸染时,为提高活性染料利用率,通常会加入无机盐,屏蔽纤维与染料分子之间的静电斥力,从图5结果可看出,助剂CR可用于实际染色废水的处理,这将为后续染色废水的研究奠定基础。

2.5 碱剂浓度

活性染料与纤维发生共价键合,需要添加固色碱剂,为探明固色碱剂浓度与助剂CR处理废水性能的关系,在助剂CR浓度为3%,处理温度为80℃的条件下,选取了0～40 g/L的Na2CO3。Na2CO3浓度对C.I.活性红218吸光度的影响规律如图6所示。

图6 Na2 CO3浓度对C.I.活性红218废水吸光度的影响

如图6所示,当处理时间在前15 min时,所有废液的吸光度值均随处理时间延长呈现减小的趋势,加入碱剂的下降幅度介于37%～50%之间,明显低于纯染液的74.7%。值得注意的是,在处理时间相同的情况下,Na2CO3浓度越高,废液中C.I.活性红218的吸光度值越小,但都高于纯染液的吸光度值,表明加入碱剂会减缓废液中C.I.活性红218的去除率,但这种趋势会随Na2CO3浓度升高而降低。当处理时间继续延长至30 min时,所有废液所对应的吸光度值继续下降,但纯染液下降幅度明显降低,加入碱剂废液吸光度降幅与前15 min基本一致。从30 min时废液的吸光度值可以看出,Na2CO3浓度为40 g/L时废液吸光度值与纯染液相同,Na2CO3浓度低于40 g/L时废液的吸光度值均高于纯染液处理后的吸光度值,意味着在碱性条件下会影响助剂CR对C.I.活性红218的去除效果,该结果与图4所呈现的规律相吻合。

3 结 论

(1)对于C.I.活性红218废水而言,处理温度和助剂浓度是影响废水色度的关键因素,在其他条件不变的情况下,温度和助剂浓度越高,废水色度值下降越明显,所需要的处理时间就越短。

(2)废水介质中p H值也会影响C.I.活性红218废水色度,p H=3时废水色度去除效果最好,p H=7时最差。

(3)添加NaCl仅能够改变废水色度去除速率,不能改变其作用程度;废液中加入Na2CO3会减缓废液中C.I.活性红218的去除速率,但这种趋势会随Na2CO3浓度升高而降低。