Fe/活性炭纖維附著陰極內電解降解染料X3B性能研究

孫育平，吳龍華，徐繼安，柯斌清，劉紅麗

(武漢長江工商學院科亮生物研究院，湖北 武漢 430065)

1 引言

我國是染料生產大國，染料產量占世界產量的60%左右。但在染料生產過程中，每生產1t染料，將有2%的產品隨廢水流失，在印染過程中則損失更大，為所有染料的10%左右。這不僅造成了極大的經濟損失，也給環境帶來了嚴重的污染。一般染料廢水可生化性差、色度高、酸堿性強;含鹽量高、組分復雜、毒性強。由于現在染料朝著抗光解、抗熱及抗生物氧化方向發展，從而使其處理難度加大［1］。目前染料廢水處理主要方法有物理法(吸附法、膜分離法)、化學法(化學混凝法、化學氧化法、濕式空氣氧化法、光催化氧化法)、生化法、電化學法等［2，3］。

2 實驗部分

2.1 儀器和材料

BS110S電子天平(0.1 mg感量)(北京 Sartorius天平有限公司)，島津UV2450紫外－可見分光光度計(日本島津公司)，PHS－3C型精密酸度計(上海精密科學儀器有限公司)，DHG－9070A型電熱恒溫鼓風干烘箱(上海索普儀器有限公司)，DHG－9123A型電熱恒溫鼓風干烘箱(上海精宏實驗設備有限公司)，UV－1100型紫外可見分光光度計(上海美譜達儀器有限公司)，TDA溫度控制儀(北京永光明醫療儀器廠)，JJ－1精密增力電動攪拌器(金壇市金科興儀器廠)。活性艷紅X－3B、活性炭纖維氈(ACF)、還原性鐵粉為市售商用產品，分析測試用試劑均為分析純。

2.2 實驗裝置和方法

配制不同濃度pH值為4的一系列X3B溶液注入到具塞錐形瓶中，加入一定量的支持電解質和經稱重的面積均為6cm×3cm的活性炭纖維氈，于恒溫振蕩箱中恒溫振12h后在511nm處測其吸光度，對ACF的吸附性能進行分析。

X3B降解實驗裝置容積為250 mL燒杯，將面積均為6cm×3cm的活性炭纖維氈包裹在電動攪拌頭上，還原鐵粉直接加入燒杯中 ，反應過程中不停地攪拌。將250mL pH值為4的濃度為1×10－4M的X3B溶液注入到反應器中，電動攪拌器攪拌2 h以達到吸附平衡，以消除吸附對降解反應的影響。反應過程中每隔一段時間取樣3 mL，立即進行紫外分光光度計掃描，對X3B的降解反應進行定性定量分析［4～10］。

2.3 分析方法

(1)紫外－可見分光光度法。采用紫外可見分光光度計在200～800nm間進行波長掃描。

(2)掃描電鏡分析。采用掃描電鏡(SEM)放大100和1000倍下，進行活性炭纖維氈的表面分析。

3 結果和討論

3.1 活性炭纖維的基本性能研究

3.1.1 活性碳纖維的表面形貌和穩定性

活性炭纖維(ACF)，外觀呈氈狀和絲狀，黑色。它是一種以有機化學纖維為原料，經過碳化、活化等步驟加工而成的。用掃描電鏡(SEM)對反應前后的ACF進行觀察，如圖1所示:其中圖a1和圖a2是反應前的掃描電鏡圖，圖b1和圖b2是用于降解反應后的掃描電鏡圖。從圖a1、圖b1可以看出:ACF表面比較平滑，具有明顯的軸向裂紋可以增大它的比表面積;從圖a2、圖b2可以看出:ACF是很規則的微米線結構。比較反應前后的掃描電鏡圖，可以看出反應前后ACF的表面結構沒有改變，說明它的化學結構很穩定。

3.1.2 活性炭纖維的表面吸附

圖1 活性炭纖維的掃描電鏡(SEM)

ACF的特征是具有巨大的比表面積、特有的微孔結構及多種官能團，因此它能通過物理吸附、化學吸附和物理－化學協同吸附等方式更有效地去除廢水中的多種有機物。分別用ACF對不同體系進行吸附實驗，得到圖2所示的吸附等溫曲線。曲線a、b、c分別是pH值為3時X3B溶液的吸附等溫曲線、pH值為3時向X3B溶液中加入了電解質后的吸附等溫曲線、pH值為7時X3B水溶液的吸附等溫曲線。對等溫曲線進行Langmuir方程擬合(式1)，Langmuir等溫吸附方程的直線形式見公式(2)。

即Ce/Qe與Ce之間存在線性關系。Qe表示平衡濃度為Ce時，X3B在ACF表面的吸附量。

X3B是一種陰離子染料，溶液中的質子濃度大有利于ACF對X3B的吸附，所以在酸性條件下(如a曲線所示)吸附量比中性條件下(如c曲線所示)大。如圖3所示:X3B在ACF表面的吸附符合Langmuir等溫吸附模型，為單分子吸附，且在不同濃度下均能穩定的對X3B進行吸附，有利于內電解反應持續進行，即對X3B持續的進行降解反應。

圖2 不同體系X3B在ACF的吸附等溫曲線

3.2 反應的工藝條件的確定

3.2.1 最佳pH值的確定

分別用pH值為2，4，6的鹽酸和pH值為8，10，12的氫氧化鈉配置濃度為1×10－4mol/L的X3B溶液250mL 6杯，電動攪拌2h達到吸附平衡后分別加入20g還原鐵粉，電動攪拌40min后取樣，過濾測其吸光度，脫色率結果如圖4。

由圖4可知體系為堿性時去除效果很差，pH值越大脫色率越低，且有黃褐色沉淀生產。pH為4時脫色率能達到97.3%，無沉淀產生，故確定最佳pH值為4。

圖3 不同體系Langmuir等溫吸附方程擬合曲線

圖4 pH值對脫色率的影響

3.2.2 最佳反應時間的確定

用pH=4的鹽酸配置濃度為1×10－4mol/L的X3B溶液250mL，電動攪拌2h達到吸附平衡后加入還原鐵粉20g，取攪拌時間為 0、10、20、30、40、50、60min 的樣品，過濾后測吸光度，脫色結果見圖5.

圖5 反應時間對脫色率的影響

由圖5可知，隨反應時間增加脫色率越來越高，在40min時脫色率為97.3%，但反應時間達到40min后，脫色率變化不大，故確定最佳反應時間為40min。

3.2.3 最佳Fe粉量的確定

用pH=4的鹽酸配置濃度為1×10－4mol/L的X3B溶液250mL 5杯，電動攪拌2h達到吸附平衡后分別加入 5、10、15、20、25g 的還原鐵粉，電動攪拌每隔一段時間取樣，過濾后測其吸光度，脫色結果見圖6。

圖6 鐵粉投加量對脫色率的影響

由圖6可知鐵粉量為25g和20g時反應效果差不多，5g和10g時反應偏慢，15g脫色率不高，綜合考慮鐵粉投加量為20g時最合理。

3.2.4 最佳反應溫度的確定

用pH=4的鹽酸配置濃度為1×10－4mol/L的X3B溶液 250mL5 杯，分別在溫度為 20、30、40、50、60℃恒溫水浴下，電動攪拌2h達到吸附平橫后，加入還原鐵粉20g，繼續攪拌40min后取樣，過濾測吸光度，脫色率結果如圖7。

圖7 反應溫度對脫色率的影響

由圖7可知，當反應溫度為20℃時，脫色率效果不佳，30℃時脫色效果最好，而30℃后，隨溫度上升脫色效果反而變差。故確定最佳反應溫度為30℃。

3.2.5 最佳反應條件下的脫色率

最佳實驗條件是:還原鐵粉的投加量為20g、pH值為4、攪拌時間為40min、反應溫度為30℃時，X3B脫色率能達到98.7%。

4 結語

(1)X3B在活性炭纖維(ACF)表面的吸附符合Langmuir等溫吸附模型，ACF的化學結構在反應前后非常穩定，有利于反應持續進行。

(2)采用Fe/活性炭纖維氈內電解體系降解活性艷紅X3B溶液的最佳實驗條件是還原鐵粉的投加量為20g、pH值為4、攪拌時間為40min、反應溫度為30℃。

(3)采用Fe/活性炭纖維內電解體系降解濃度為1×10－4mol/L活性艷紅X3B溶液時，在最佳條件下，脫色率可達98.7%。

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