凹凸棒土、活性炭和TiO2多孔陶瓷球對印染廢水的處理

李 杰，強穎懷，潘業才

（中國礦業大學材料學院, 江蘇 徐州 221116）

凹凸棒土、活性炭和TiO2多孔陶瓷球對印染廢水的處理

李 杰，強穎懷，潘業才

（中國礦業大學材料學院, 江蘇 徐州 221116）

以凹凸棒土為吸附載體，活性炭為添加劑，TiO2為光催化劑分別制備凹凸棒土/活性炭、凹凸棒土/納米TiO2、凹凸棒土/活性炭/納米TiO23種多孔陶瓷球，研究其對印染廢水的處理效果。初次處理后，第三種陶瓷球對廢水的降解率最高，通過避光前后降解率的對比，表明在降解過程中發生了光催化作用；重復3次同樣的試驗，結果表明第三種復合球對印染廢水的處理效果最好。通過正交試驗的方法，研究了質量比、煅燒溫度、煅燒時間和分散劑用量對廢水處理效果的影響。本試驗條件下，通過綜合平衡分析后的最優方案為：質量比6∶1∶1、溫度400℃、時間90min、分散劑用量0.5mL。

凹凸棒土；二氧化鈦；光催化劑；多孔陶瓷球

1 引言

印染廢水具有堿性強、色度和COD值高，水質水量變化大，具有刺激性氣味等特點，屬于難降解的工業廢水[1]。近年來，全球環保行業的各種廢污水處理方法、處理設備不斷涌現出來，但用于處理印染廢水的主要方法仍然是生化法和物化法兩大類。隨著印染技術的進步和化纖織物的發展,新型助劑、PVA漿料等難生化降解的有機物大量進入印染廢水，同時，國家和地方不斷提高水質標準，傳統的方法已經不能使處理后的廢水達到排放標準[2]。自1972年Fujishima和Honda在TiO2單晶電極上發現水能被光催化分解得氫以來[3]，多相光催化技術得到了快速的發展，已經成為廢水處理領域的一種新型高效的水處理技術，并得到了國內外學者的廣泛關注[4-6]。但TiO2作為光催化劑對太陽能的利用率低，對有機物的吸附性差，易團聚和回收分離困難等缺點，嚴重影響其粉體的各種優異物化性能的發揮。本研究以凹凸棒土為吸附載體，活性炭為添加劑，TiO2為催化劑制備復合型光催化劑，對復合光催化劑進行造粒、燒結，制成復合多孔陶瓷球，對印染廢水進行處理，以期找到一種嶄新的處理路徑。

2 試驗

2.1 試劑與儀器

凹凸棒土(提純后)，江蘇省盱眙凹土中心；納米TiO2(銳鈦型)；活性炭(市售)；三乙醇胺(分析純)；印染廢水(徐州某印染廠)；去離子水等。

美國lamotteCOD測試儀，自制光催化裝置和抗壓強度計，紫外燈，101A-3型干燥箱，LD4-2型離心機等。

2.2 不同復合陶瓷球的制備

按質量比為5∶1∶1的比例稱取凹凸棒土、活性炭和納米Ti，將凹凸棒土/活性炭、凹凸棒土/納米TiO2、凹凸棒土/活性炭/納米TiO2分別加入一定量的去離子水，在高速攪拌下混合均勻，造粒成型，在100℃左右干燥后，在400℃下焙燒1h，制備各組試樣，測試各組試樣對污水的降解率。

2.3 正交試驗方案確定及復合陶瓷球的光催化降解效果

綜合考慮試驗條件和實驗室操作方便，確定以凹凸棒土、活性炭和納米TiO2的質量比、復合球的煅燒溫度、煅燒時間和分散劑的用量作為4因素進行正交試驗，在額定功率的紫外燈照射下，降解印染廢水。

3 結果和討論

3.1 復合陶瓷球對印染廢水的處理效果

3.1.1 在紫外燈下的處理效果

取相同體積的印染廢水，分別利用凹凸棒土/活性炭、凹凸棒土/納米TiO2、凹凸棒土/活性炭/納米TiO23種復合陶瓷球在紫外燈下處理2h，處理后的廢水的COD值變化如圖1所示，初次處理后，3種復合陶瓷球對廢水的COD都有很好的降解作用，60min時趨于平穩，降解率分別達到75%、66.4%和77.2%。

3.1.2 在避光條件下的處理效果

其他條件相同，在避光條件下處理2h后的廢水COD值隨時間的變化如圖2所示。與紫外光下對廢水的降解率相比，凹凸棒土/活性炭復合陶瓷球相差不大，但凹凸棒土/活性炭/納米TiO2復合陶瓷球明顯下降，60min時COD去除率僅為64.3%，說明在紫外燈下發生了光催化作用，而且活性炭有利于光催化的效果。

3.1.3 重復處理效果

將這3種陶瓷球在3.1.1的條件下重復處理3次后，廢水的COD值變化情況如圖3所示，60min時其降解率分別為44.7%、45.4%和54.6%。顯然凹凸棒土/活性炭/納米TiO2復合球3次重復處理后對廢水的降解效果最好。

3.2 正交試驗

3.2.1 試驗因素與水平設計

分別選擇凹凸棒土、活性炭和納米TiO2的質量比、復合球的煅燒溫度、煅燒時間和分散劑用量作為4因素，進行3水平試驗，各因素及其水平見表1。

表1 制備復合多孔陶瓷濾球的各因素及水平

3.2.2 選擇正交試驗

根據因素和水平的要求，選用正交表L9(34)的前三列，試驗安排如表2所示。

3.2.3 數據計算與結果分析

每號試驗組合條件均進行3次重復試驗，取其平均值填入表2中的試驗結果項目；每個試驗都分別對兩個指標進行測定。試驗結果統計見表3。

對污水的降解率來說，D和A兩因素極差R相差不大，但A對陶瓷球的強度影響最大，綜合考慮4個因素對兩個指標影響的主次關系為ADCB。

表2 制備陶瓷濾球的正交試驗

因素C：對兩個指標來說，最優水平都為C2，所以選C2。

因素D：對強度幾乎沒有影響，但對降解率影響最大，最優為D3，故選D3。

因素A：對兩個指標來說都是主要因素，但考慮到陶瓷球的可重復利用性以及成本問題，故選A3。

因素B：對強度的貢獻不太多，但對降解率是較主要因素，所以選B2。

表3 試驗結果統計

通過綜合平衡分析后，復合陶瓷球處理印染廢水的最優方案是A3D3C2B2。

4 結論

以凹凸棒土為吸附載體、活性炭為添加劑、二氧化鈦為催化劑制備的復合型光催化劑在紫外光下對印染廢水進行處理，結果表明復合體對COD的降解效果良好，且不只是吸附作用，光催化也發生了作用，初次降解率60min時達到77.2%；活性炭的加入有利于光催化的效果。本試驗條件下，通過綜合平衡分析后的最優方案為：質量比6∶1∶1、煅燒溫度400℃、煅燒時間90min、分散劑用量0.5mL。

復合陶瓷球解決了物理吸附劑處理廢水后難以清理、二次污染和再生困難等問題，為廢水處理提供一種新的思路。

[1]王白楊,張卓,何慧.生物/化學/物理聯合工藝處理高溫印染廢水并回用[J].中國給水排水,2008,24(17):56-58.

[2]李家珍.染料、染色工業廢水處理[M].北京:化學工業出版社,1997.

[3]FUJISHIMA A, HONDA K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode[J]. Nature, 1972,238:37-38.

[4]JUCHIDAH, ITOHS, YONEYAMAH. Photocatalytic decomposition of propyzamide using TiO2supported on activated carbon[J].Chem. Lett, 2001,22:203-205.

[5]王程,龔文琪,李艷,等.礦物負載納米TiO2光催化材料的制備及其在偶氮染料廢水處理中的應用[J].材料科學與工程學報,2008,26(1):129-133.

[6]FUJISHIMA A, RAO T N, TRYK D A. Titanium dioxide photocatalysis[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Review, 2000,(1):1-21.

[7]劉立敏,張鵬,徐瑞芬.粘土、活性炭、二氧化鈦復合陶瓷球對染料廢水的降解[J].水處理技術,2007,33(4):11-13.

Treatment of Dyeing Wastewater by Porous Ceramic Ball With Attapulgite, AC and TiO2

LI Jie, QIANG Ying-huai, PAN Ye-cai
(Department of Materials Engineering, China University of Mining And Technology, Xuzhou 221116, China)

Three porous ceramic ball were prepared with attapulgite, AC and TiO2, such as attapulgite-AC, attapulgite-TiO2and attapulgite-AC-TiO2. The research was on treatment of dyeing wastewater. The rate of degradation was the highest by the third ceramic ball at first treatment, and the progress was done in the dark again. By contrast, it is showen that catalysis of light acted in degradation process. And the results showed that the third ceramic ball was the best one on wastewater. By use of orthogonal experimental design, the effects of mass ratio, temperature, time and the amount of dispersant were investigated in the laboratory.After a comprehensive analysis, the optimum program were as follows: mass ratio was 6:1:1; calcination temperature was 400℃; time was 90min and the amount of dispersant was 0.5mL.

attapulgite; TiO2; photocatalyst; porous ceramic ball

X703

A【文獻標識碼】1007-9386(2011)02-0045-03

中國礦業大學科技專項基金(ZK0005)。

2011-02-25