直接黄R染料废水的脱色研究

2023-11-10俞芊芊苏佳毅王晓盈杨富国

科技风 2023年31期

俞芊芊苏佳毅王晓盈杨富国

佛山科学技术学院环境与化学工程学院广东佛山 528000

随着工业化进程的加快,水污染问题已成为各国政府和研究人员普遍关注的问题。含染料废水是主要的环境问题之一,由于染料废水含有毒或有害化学成分较多,有的难降解,有的色度高,是工业废水回收再循环利用研究的难题,大量的工业(纺织、造纸或纸浆、食品、皮革)会产生含染料和悬浮颗粒等的废水,且有些染料难以被微生物降解,对人类、水生生物和微生物有毒,其中许多具有致癌性、致畸性、诱变性。目前,染料废水的处理有物理法、化学法、生物化学法,化学法包括:化学混凝法、电化学氧化法、高级氧化法等[1-4],电化学氧化法具有结构简单、降解效率高、无毒害成分形成等优点。

染料废水因具有排放量大、色度高、可生化性差、难降解、毒性高等显著特点,目前已成为较难处理的工业废水之一。假如在染料废水中,含有一些萘、酚类物质,毒性就会增加。尽管通过各种处理手段,在废水中还会残留这些污染物。排出的染料废水对人们的健康有危害,因为其含有大量的有毒有害化合物,水质也十分复杂,对大自然的生物生长也会造成不利影响,属于有毒有害的有机污染物。

传统的废水处理方法,如生物处理、吸附和混凝,并不能完全去除废水中的污染物,而且存在成本高、用量大、效率低和二次污染的缺点。因此非常有必要研发成本低、降解效率高、低碳绿色的染料废水处理技术。

光电催化技术被认为是满足日益增长的能源需求和提供有效的废水处理的一种很有前途的高级氧化水处理技术,它通过协同效应,使电化学氧化法与光催化氧化法有机结合,半导体光催化剂的光催化活性有效得到提高,并明显地阻止了光生电子空穴对的复合,可以高效氧化降解有机污染物。它不仅可以解决电化学氧化中经常出现的电极钝化现象,也克服了粉体光催化剂需后续分离的问题。

然而,采用光电催化氧化法降解污染物的效率并不高,这是因为多相光电催化反应产生的活性自由基数量低,以及传质限制等。在紫外光照射或催化剂作用下,双氧水能够产生强氧化性羟基自由基,氧化降解有机污染物。文献介绍,在TiO2/紫外光催化体系中添加双氧水,可以通过同质氧化和多相光催化相结合的方式,产生大量羟基自由基,从而提高有机污染物的降解效率。在gC3N4可见光电催化降解亚甲基蓝体系中,加入H2O2,能使亚甲基蓝的降解率在2h内由35.92%提高至53.43%。因此,为了解决光电催化过程中活性自由基数量低的问题,可以向光电催化体系中添加双氧水,从而有效提高污染物的降解率[5]。

印染行业随着工业技术的发展而快速发展,染料废水增加了水环境污染程度。这些染料废水含有大量具有生物毒性的有机物,有的成分复杂、浓度高、色度大,水量大、分布广、难降解物质多是染料废水的特色,严重危害人类及水生生物的健康。目前染料废水处理的方法主要有吸附法、膜分离法、化学混凝法、氧化法、电化学法、生物法。其中氧化法包括普通化学氧化法、Fenton法、光催化氧化法、湿式空气氧化法、超临界水氧化。光催化氧化法对染料降解较完全,不会造成二次污染。

二氧化钛(TiO2)作为一种光催化剂,因其无毒、稳定性好、光化学性能优异而受到广泛关注。然而纯二氧化钛对染料有较低的吸附性能,并且其在可见光区域没有吸收从而限制了对阳光的利用。因此,开发一种高效、经济的光催化剂就显得非常重要[6]。

大量的合成染料在纺织、皮革、造纸、塑料和橡胶等行业中用于产品着色,但实际的染色过程中仅有部分染料被有效利用,剩余部分则残存于水中。此外,以氯化钠和硫酸钠为代表的无机盐常作为染色助剂加入,以增强织物对染料的吸收而提高上染率,这样即产生大量富含染料的高盐度废水。

未经合理处置的此类废水直接排放,不仅是对水资源、有价值染料和无机盐的浪费,而且还将严重威胁环境与人体健康。传统的印染废水处理方法主要有吸附、高级氧化、混凝/絮凝及生物降解等,但这些方法主要用于废水中染料的去除,无法实现有价资源的回收[7]。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置如图1所示。实验采用的水样,为自配的直接黄R染料溶液,体积为500mL,电解阳极、阴极都采用Ti网,电解槽采用玻璃烧杯,槽中极板固定间距50mm。

图1 实验装置

1.2 仪器与材料

1.2.1 实验材料

直接黄R(原染料,天津市亚东化工有限公司);氯化钠(分析纯,佛山西陇化工有限公司);电解阳极、阴极(Ti网,创良科技有限公司)。

1.2.2 实验仪器

紫外可见分光光度计(TU-1810型,北京普析通用仪器有限责任公司),直流稳压电源(TPR-1510型,创良科技有限公司),恒温磁力搅拌器(85-2型,巩义市予华仪器有限责任公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 配置模拟染料废水

用称量纸称取直接黄R100mg,放入烧杯中,加水溶解,准确称取电解质氯化钠,搅拌溶解后,用水定容至1L容量瓶中。

1.3.2 实验过程

准确量取500mL直接黄R染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。调节好电解电源的电流,在不同的电解时间取样,脱色率的测定方法为:实验前,用可见分光光度计测定波长400nm处的吸光度(以下简称Abs),t时间时,同样在波长400nm处测量废水的Abs,染料脱色率计算公式为:

式中,A0为初始染料吸光度,At为t时间的染料吸光度。

2 结果与讨论

2.1 电解时间的影响

准确量取500mL准确量取500mL直接黄R染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。电流密度为2.5A/dm2,电解质浓度为25.0g/L条件下,实验结果如图2所示。

图2 电解时间对色度的影响

直接黄R染料废水的吸光度随电解时间的变化曲线如图2所示。从图中可以看出,直接黄R染料废水的吸光度情况:0到10分钟内,染料废水的吸光度由原来的0.365降为0.115,通过公式计算,降解率为68.49%;10到20分钟内,染料废水的吸光度由0.115降为0.110,降解率为69.86%;20到30分钟内,染料废水的吸光度由0.110降为0.108,降解率为70.41%;30到40分钟内,染料废水的吸光度由0.108降为0.106,降解率为70.96%,降解率从70.41%升高到70.96%,这一时间段为色度的缓慢去除阶段。

2.2 电解质浓度的影响

准确量取500mL直接黄R染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。电流密度为2.5A/dm2,添加电解质浓度分别为15.0g/L、20.0g/L、25.0g/L条件下,实验结果如图3所示。

图3 NaCl浓度的影响

随着电解的进行,吸光度的变化如图3所示。由图3可见,随着电解质浓度由15.0g/L、20.0g/L,增加到25.0g/L,直接黄R染料废水的吸光度逐渐减小,降解率增加显著。在直接黄R染料废水的浓度不变,电流密度不变,电解质浓度不同的条件下,电解质的浓度越高,直接黄R染料废水的吸光度越小,降解率越大。电解质浓度为15.0g/L,电解40分钟时,吸光度为0.174,降解率为52.35%;电解质浓度为20.0g/L,电解40分钟时,吸光度为0.130,降解率为64.38%;电解质浓度为25.0g/L,电解40分钟时,吸光度为0.106,降解率为70.96%。

2.3 电流密度的影响

准确量取500mL直接黄R染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。在电解质浓度为25.0g/L,电流密度分别为2.5A/dm2、1.25A/dm2条件下,实验结果如图4所示。

图4 电流密度对降解率的影响

随着电解的进行,直接黄R染料废水降解率的变化如图4所示。由图4可见,随着电流密度由1.25A/dm2增加到2.5A/dm2,直接黄R染料废水的吸光度逐渐减小,降解率增加。电解质浓度为25.0g/L,电流密度为1.25A/dm2,电解40分钟时,吸光度为0.153,降解率为58.08%;电解质浓度为25.0g/L,电流密度为2.5A/dm2,电解40分钟时,吸光度为0.106,降解率为70.96%。通过比较,电流密度宜取2.5A/dm2。

2.4 染料初始浓度的影响

准确量取500mL直接黄R染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。在电解质浓度为25.0g/L,电流密度为2.5A/dm2,直接黄R染料浓度分别为100mg/L和200mg/L条件下,实验结果如图5所示。

图5 染料初始浓度对降解率的影响

由图5可以看出,在电解质浓度为25.0g/L,电流密度为2.5A/dm2,直接黄R染料浓度为100mg/L条件下,电解20分钟时,直接黄R染料的降解率为69.86%,直接黄R染料浓度为200mg/L条件下,电解20分钟时,直接黄R染料的降解率为64.94%;直接黄R染料浓度为100mg/L条件下,电解40分钟时,直接黄R染料的降解率为70.96%,直接黄R染料浓度为200mg/L条件下,电解40分钟时,直接黄R染料的降解率为65.32%。