K修飾Cu/AC催化降解染料廢水的研究

陳志挺 劉岑瑩 連鴻斌 饒瑞曄 曾韋斌

(武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

0 引言

我國紡織行業(yè)排放的廢水量巨大，其中印染廢水組成成分復(fù)雜，水質(zhì)多變，具有高COD，高毒性，難降解等特點。同時印染廢水中含有染整過程中所流入的各種有機染料、表面活性劑等，大部分成分難以被傳統(tǒng)微生物法降解。若沒有經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放，不僅會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞，而且容易通過動物和植物累計進入人體，對人體造成危害[1]。

目前印染廢水的處理方法主要有混凝法、吸附法、氧化法、電化學(xué)法、生化法等等[2-5]?；炷ㄌ幚硗都拥幕炷齽┹^多，同時排放的污泥量也大存在處理成本高，污泥后續(xù)處理的難度大的問題。吸附法對一些水溶性較好的染料吸附效果較好，但此方法會產(chǎn)生較多的泥渣，同樣需要進一步處理。電化學(xué)法具有對環(huán)境溫和，具有不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，但其過程能耗大等缺點使其尚未得到大范圍的應(yīng)用。生化法為傳統(tǒng)處理方法，具有處理成本低等優(yōu)點，但由于染料廢水的復(fù)雜性，常需要物理化學(xué)法進行前處理，且對菌種的選育難度較大。

高級氧化法具有反應(yīng)快速，不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。本研究采用常溫常壓的濕式氧化法，以雙氧水為氧化劑，通過浸漬法制備催化劑，對模擬染料廢水進行影響因素探究。

1 實驗部分

1.1 催化劑制備

稱取等量多份(每份60g)的活性炭進行預(yù)先清洗，將其附著的炭粉清洗去除，干燥備用。稱取一定量的硝酸銅和硝酸鉀，配制成一定濃度的浸漬液，將清洗后的活性炭浸漬24小時。完成后在烘箱中干燥，接著在氮氣氛圍下于管式爐中280℃煅燒4小時后即得到K修飾Cu/AC負(fù)載型催化劑。

1.2 催化實驗及方法

實驗中以10mg/L濃度亞甲基藍(lán)溶液作為反應(yīng)液，雙氧水添加量為0.5%，使用蠕動泵將反應(yīng)液輸入裝有催化劑的層析柱中，每隔一段時間取樣測試。

其中催化劑對亞甲基藍(lán)溶液的脫色率計算如下：

式中：η為降解率；C0表示為反應(yīng)前亞甲基藍(lán)溶液的濃度；C為反應(yīng)后t時亞甲基藍(lán)溶液的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu，K負(fù)載量的影響

圖1 不同Cu，K負(fù)載量對催化性能的影響

采用不同Cu，K摩爾比浸漬煅燒得到的催化劑效果如圖1所示。結(jié)果表明，Cu負(fù)載與K修飾都可以提升脫色效率，Cu:K為0.5mol:0.5mol配置的浸漬液制備的催化劑表現(xiàn)最佳，4h反應(yīng)后脫色率仍能保持至75%以上。K在煅燒后形成氧化物，反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)化為氫氧化物，對活性炭有一定腐蝕作用，提供更多活性位點[6]。Cu氧化物作為雙氧水的催化劑，將雙氧水催化分解為羥基自由基，將染料大分子氧化脫色。

2.2 反應(yīng)液pH值的影響

實驗結(jié)果顯示，pH值對催化過程有明顯的影響(圖2)，pH大于7，脫色效率上升，但消耗大量的堿液調(diào)節(jié)，增加處理成本。當(dāng)pH小于7時，由于部分Cu氧化物與酸反應(yīng)流失，脫色效率下降。亞甲基藍(lán)水溶液本身呈弱堿性，故選擇pH值為7～9作為反應(yīng)合適pH值。一方面保護催化劑活性組分穩(wěn)定，另一方面結(jié)合脫色效率與經(jīng)濟性考慮。

圖2 不同反應(yīng)液pH對催化性能的影響

2.3 反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度影響反應(yīng)速率，溫度較低，反應(yīng)速率較慢。溫度較高，能夠提升催化效率，但同時會加快雙氧水的自分解速率。本實驗選取不同反應(yīng)溫度，分別為：30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，其降解率如圖3所示。對比常溫溫度，溫度高于后，脫色效率提升較大，達(dá)到95%以上。但當(dāng)溫度繼續(xù)升高，則脫色效率提升不明顯。綜合經(jīng)濟性考慮，選擇40℃作為最佳反應(yīng)溫度。

圖3 反應(yīng)溫度對催化性能的影響

2.4 催化劑穩(wěn)定性能探究

為考察催化劑在運行時的穩(wěn)定性及連續(xù)使用壽命，設(shè)計24h連續(xù)反應(yīng)實驗。采用自制連續(xù)反應(yīng)實驗裝置，在單因素最優(yōu)的條件下進行，每隔一定時間取樣進行脫色效率測試。其結(jié)果如圖4所示。

圖4 24h連續(xù)穩(wěn)定實驗測試

當(dāng)反應(yīng)進行到120～150min，廢水脫色率已經(jīng)達(dá)到了95%以上，之后降解率一直維持95%以上，保持穩(wěn)定，出水水質(zhì)接近透明，且此時出水CODCr去除率也達(dá)到了91.6%以上。結(jié)果表明，K修飾的Cu/AC具有較高的脫色率以及降解性能，并且具備良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

通過浸漬煅燒法制備K修飾Cu/AC催化劑，探討催化劑Cu，K負(fù)載量，反應(yīng)液pH值，反應(yīng)溫度對亞甲基藍(lán)模擬廢水的處理情況。結(jié)果表明最佳反應(yīng)條件為Cu：K為0.5mol：0.5mol，pH為弱堿性，溫度為40°C時，對10mg/L模擬廢水的脫色率可以達(dá)到95%以上，并且該催化劑具有穩(wěn)定的處理效率。該結(jié)果一方面由于K的修飾使得活性炭表面具備更多的活性位點，增強其吸附性能，另一方面由于活性組分Cu在合適的條件下對雙氧水進行催化分解，使得染料大分子被降解甚至部分被礦化。該催化劑具有反應(yīng)快速，成本低廉，易制得等優(yōu)點，但實際廢水成分復(fù)雜，水量多變，還需對催化劑進行進一步的優(yōu)化以適應(yīng)實際情況，才可有望應(yīng)用于印染廢水處理。