紫外輻照-催化濕式過氧化氫氧化技術(shù)處理酸性大紅GR染料廢水

涂盛輝，朱細(xì)平，梁海營(yíng)，鐘觀華，吳林華

（南昌大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

催化濕式過氧化氫氧化技術(shù)（CWPO）是處理高濃度、高毒性、難降解有機(jī)廢水的有效方法［1-10］，但需要在高溫高壓條件下進(jìn)行，因此該技術(shù)的應(yīng)用和推廣受到極大限制［11-12］。如何通過技術(shù)改進(jìn)來改善反應(yīng)條件、使其可在常溫常壓下進(jìn)行、并具有高效的處理效果，對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用推廣具有重要意義。

本工作以γ-Al2O3為載體，Cu（NO3）2，Zn（NO3）2，Ce（NO3）4為原料，采用浸漬法制備了負(fù)載型CuO-ZnO-CeO2/γ-Al2O3催化劑，并采用該催化劑通過UV-CWPO 在常溫常壓下處理模擬酸性大紅GR染料廢水，廢水的脫色效果顯著。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 廢水、試劑和儀器

廢水為配制的模擬酸性大紅GR染料廢水。

Cu（NO3）2、Zn（NO3）2、Ce（NO3）4、H2O2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）、K2CrO7：分析純；γ-Al2O3：粒徑2～3 mm，天津化工設(shè)計(jì)研究院；酸性大紅GR：武漢第三染料廠。

HH-S1型數(shù)顯恒溫水浴鍋：上海亞榮生化儀器廠；DZF-6020型真空干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；TM-6220s型馬弗爐：上海博訊醫(yī)療設(shè)備廠；TU1901型紫外-可見分光光度計(jì)：北京普析分析儀器公司；XJ-III型快速消解儀：廣東省醫(yī)療器械廠；85-2型恒溫磁力攪拌器：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；TDL-4型臺(tái)式離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；KQ3200型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；10 W石英紫外線消毒燈：長(zhǎng)沙科星光源電器廠。

1.2 催化劑的制備

將γ-Al2O3載體浸漬在Cu（NO3）2，Zn（NO3）2，Ce（NO3）4配置的浸漬液中，使m（Cu2+）∶m（Zn2+）∶m（Ce4+）∶m（γ-Al2O3）=4∶4∶1∶100，超聲振蕩吸附30 min，在常溫下浸漬12 h，在110 ℃干燥箱中烘干，然后移入馬弗爐中500 ℃下煅燒2 h，制得CuO-ZnO-CeO2/γ-Al2O3催化劑。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取200 mL廢水置于反應(yīng)器中，加入一定量的CuO-ZnO-CeO2/?-Al2O3催化劑和一定量的H2O2，用稀鹽酸調(diào)節(jié)廢水pH，控制反應(yīng)溫度為25 ℃，常壓，調(diào)節(jié)適宜的曝氣量，開啟紫外線消毒燈，在一定攪拌速率下反應(yīng)一定時(shí)間，取樣離心后測(cè)定廢水吸光度，計(jì)算脫色率。實(shí)驗(yàn)裝置示意見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.4 分析方法

采用紫外-可見分光光度計(jì)在波長(zhǎng)510 nm條件下測(cè)定反應(yīng)前后廢水的吸光度，計(jì)算廢水的脫色率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同反應(yīng)體系對(duì)廢水脫色率的影響

在初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度為200 mg/L、催化劑加入量為12.5 g/L、 H2O2加入量為1.5 mL/L、廢水pH為4、反應(yīng)時(shí)間為2 h的條件下，不同反應(yīng)體系對(duì)廢水脫色率的影響見圖2。

圖2 不同反應(yīng)體系對(duì)廢水脫色率的影響

由圖2可見：UV輻照處理的廢水脫色率很低； UV輻照-H2O2氧化降解對(duì)廢水的脫色率僅為34.98%； CWPO的廢水脫色率為47.08%；UV輻照-CWPO的廢水脫色率高達(dá)97.51%。表明UV輻照-CWPO可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，反應(yīng)體系中產(chǎn)生了更多的?OH，廢水的脫色率提高。故以下實(shí)驗(yàn)均采用UV輻照 -CWPO工藝。

2.2 催化劑加入量對(duì)廢水脫色率的影響

在初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度為200 mg/L、H2O2加入量為1.5 mL/L、廢水pH為4、反應(yīng)時(shí)間為2 h的條件下，催化劑加入量對(duì)廢水脫色率的影響見圖3。由圖3可見：隨著催化劑加入量的增加，廢水脫色率逐漸提高；當(dāng)催化劑加入量為10.0 g/L時(shí)，廢水脫色率為97.77%；繼續(xù)增加催化劑加入量，廢水脫色率反而有所降低。這是因?yàn)榇呋瘎┘尤肓窟^多時(shí)，UV光照受阻。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇催化劑加入量為10.0 g/L。

圖3 催化劑加入量對(duì)廢水脫色率的影響

2.3 H2O2加入量對(duì)廢水脫色率的影響

在初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度為200 mg/L、催化劑加入量為10.0 g/L、廢水pH為4、反應(yīng)時(shí)間為2 h的條件下，H2O2加入量對(duì)廢水脫色率的影響見圖4。由圖4可見： 隨H2O2加入量的增加，廢水脫色率逐漸提高，表明H2O2加入量的增加，產(chǎn)生了更多的?OH，促使有機(jī)物在催化劑表面氧化降解更為迅速徹底；當(dāng)H2O2加入量為2.0 mL/L時(shí)，廢水脫色率為99.33%；當(dāng)H2O2加入量超過2.0 mL/L時(shí)，廢水脫色率反而下降。據(jù)研究報(bào)道，當(dāng)溶液中H2O2含量過高時(shí)，H2O2在氧化有機(jī)物前會(huì)與其分解出的?OH反應(yīng)，使催化反應(yīng)鏈反應(yīng)終止，降低有效氧化反應(yīng)效率［13-14］。故本實(shí)驗(yàn)選擇H2O2加入量為2.0 mL/L。

圖4 H2O2加入量對(duì)廢水脫色率的影響

2.4 廢水pH對(duì)廢水脫色率的影響

在初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度為200 mg/L、催化劑加入量為10.0 g/L、H2O2加入量為2.0 mL/L、反應(yīng)時(shí)間為2 h的條件下，廢水pH對(duì)廢水脫色率的影響見圖5。由圖5可見：廢水pH為酸性時(shí)，脫色率較高；廢水pH為4時(shí)，脫色率最高，為99.33%；廢水pH為堿性時(shí)，脫色率下降；堿性越強(qiáng)，脫色率越低。這是因?yàn)樵趬A性條件下，H2O2分解速率加快，氧化劑自身消耗過多，從而降低了進(jìn)一步氧化有機(jī)分子的能力。故本實(shí)驗(yàn)選擇廢水pH為4。

圖5 廢水pH對(duì)廢水脫色率的影響

2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水脫色率的影響

在初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度為200 mg/L、催化劑加入量為10.0 g/L、H2O2加入量為2.0 mL/L、廢水pH為4的條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水脫色率的影響見圖6。由圖6可見：當(dāng)反應(yīng)時(shí)間少于2 h時(shí)，廢水脫色率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而提高；反應(yīng)時(shí)間超過2 h后，廢水脫色率基本無變化。故本實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)時(shí)間為2 h。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水脫色率的影響

2.6 初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度對(duì)廢水脫色率的影響

在催化劑加入量為10.0 g/L、H2O2加入量為2.0 mL/L、廢水pH為4、反應(yīng)時(shí)間為2 h的條件下，初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度對(duì)廢水脫色率的影響見圖7。由圖7可見：初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度為200 mg/L時(shí)，廢水脫色率最高，為99.33%；隨著初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度的增大，廢水脫色率逐漸降低。說明初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度高的廢水對(duì)UV輻照-CWPO反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用。這是因?yàn)楫?dāng)廢水中初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度過高時(shí)，一方面，催化劑表面吸附過多的有機(jī)物，導(dǎo)致催化劑中毒，使催化活性下降；另一方面，溶液的透光性也隨之變差，UV對(duì)系統(tǒng)的輔助能力下降。

圖7 初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度對(duì)廢水脫色率的影響

3 結(jié)論

采用自制的負(fù)載型CuO-ZnO-CeO2/γ-Al2O3催化劑，常溫常壓下通過UV輻照-CWPO處理模擬酸性大紅GR染料廢水。最佳工藝條件為初始酸性大紅GR質(zhì)量濃度200 mg/L，催化劑加入量10.0 g/L，H2O2加入量2.0 mL/L，廢水pH 4，反應(yīng)時(shí)間2 h。最佳工藝條件下廢水脫色率達(dá)99.33%。

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