鐵碳微電解處理水中堿性嫩黃O的研究

(合肥工業大學 安徽 合肥 230009)

一、概述

水是人類生活和生產活動中不可缺少的寶貴資源，隨著人類社會用水量的大幅度增加，水資源量短缺現象十分嚴重，水資源供需矛盾日益突出。目前全世界有很多國家都存在著嚴重的水資源危機，我國就是一個水資源匱乏的國家。染料是指直接或通過某些媒介物質和纖維發生物理或化學反應而將纖維或其他基質染成一定顏色的有機物。染料機理簡單說來是先將染料制成水溶液、有機溶液、懸浮液等染液，當染液對纖維進行染色時，染料分子通過吸附、擴散以及一系列其它化學或物理化學的作用，從染液轉移到纖維等被染物上，使其著色。按照染料的應用性質可以將染料分為直接染料、酸性染料、陽離子染料、活性染料、分散染料、硫化染料和縮聚染料等。堿性染料主要應用于腈綸染色，具有色澤鮮艷，色譜齊全，染色牢度較高的優點，是最早合成的一類染料，因其在水中溶解后帶陽電荷，故又稱陽離子染料[1]。染料廢水具有高濃度、高色度、高pH、難降解、多變化等特點[2]。是世界范圍內難處理的工業廢水之一。目前，世界上染料的種類有2000多種。我國是世界染料產量第一大國，2016年我國總共生產了92.8萬噸染料，占世界染料總產量的70%以上[3]。染料廢水的處理一直是我國污水處理關注的熱點和難點，特別是含有機染料(如堿性嫩黃O)污水具有分布面廣、水量大、色度高、高COD、水質變化大、有機毒物含量高、可生化性差、成分復雜以及難降解等特點，是我國水環境中主要污染物之一。

鐵碳微電解技術是以提高廢水的可生化性為主要目的的有機廢水預處理工藝。鐵碳微電解法又叫內電解法，主要利用金屬與惰性碳形成原電池還原降解污染物。鐵炭內電解法是基于化學原理，將兩種具有不同電極電位的金屬或金屬和非金屬直接接觸在一起，浸沒在傳導性的電解質溶液中，形成原電池，利用其周圍形成的電場效應，使溶液中的膠體粒子向相反電荷的電極移動,進行凝聚并沉積到電極上，同時電極反應生成的產物能與溶液中的許多物質起化學反應，達到去除污染物的目的[4]。具有適用范圍廣、成本低廉、處理效果好、材料簡便易得、占地面積小、裝置易于定型和工業化等優點。染料廢水中的有機組分大多以芳烴及雜環化合物為母體，并帶有顯色基團(如-N=N-，-N=0)及極性基團(如-S03Na、-OH、-NH2)[5]。鐵碳微電解工藝可以有效地降解這些多環芳烴類物質，將它們分解為容易被微生物所利用和吸收的有機物。另外，由于利用焦炭、廢鐵屑等為原料，該技術的電力消耗量小，具有“以廢治廢”的實際意義[6]。

二、染料性質

堿性嫩黃O分子結構式如下：

圖1 堿性嫩黃O分子結構式

物化性質[7]：堿性嫩黃O(Auramine O)黃色粉末，分子量為303.83，分子式為C17H22ClN3，溶于冷水，易溶于熱水為艷黃色，在沸騰的水中分解，溶于乙醇為黃色，在濃硫酸中無色，稀釋后變為淡黃色，在濃硝酸中呈橙色，在水溶液中加鹽酸轉成深黃色，加熱至沸即無色，在蠶絲纖維上呈艷黃色，在鎢絲燈下較紅。

用途：用于蠶絲，腈綸，單寧媒染棉的染色，也可以用于皮革，紙張，麻和黏膠的染色，直接印花和底色撥染印花，還可以用于油，脂肪和涂料的著色，也可以用于制備色淀用于油墨。

本文研究了鐵碳微電解法處理堿性嫩黃O染料廢水的反應機理，并進行單因素實驗，探究廢水初始pH值、鐵屑投加量、鐵碳質量比以及反應時間四個主要因素對微電解反應降解堿性嫩黃O的效果的影響，并確定反應的最佳條件。

三、實驗部分

(一)實驗試劑和儀器

本實驗所用藥品主要有：鐵屑、活性炭、鹽酸、氫氧化鈉、堿性嫩黃O(C17H22ClN3)、精密pH試紙。

實驗所用主要儀器的型號及生產廠家見表1。

表1 實驗儀器

(二)實驗材料的預處理

鐵屑：由于鐵的表面容易在空氣中氧化形成氧化層,所以在使用前需要活化。將其浸泡在5%NaOH溶液中lO分鐘，以除去鐵屑表面的油分，而后用蒸餾水洗凈備用。使用時先用10%的稀H2SO4浸泡10min，除掉表面的氧化物，用清水沖洗干凈后待用，剩余鑄鐵屑盛于燒杯中用水浸泡，防止鐵屑生銹。

活性炭：為了減少活性炭的吸附作用對本實驗的干擾，需在實驗前對活性炭進行預處理。將活性炭用蒸餾水沖洗干凈后放入染料廢水中浸泡24小時，使活性炭與廢水充分接觸，達到吸附飽和，盡量減少活性炭吸附的干擾。然后晾干備用。

實驗水樣的配置：考慮到實際生產中染料廢水成分復雜，實驗結果會受到其它有機成分的干擾，影響理論上的降解效果，不便于實驗的探索研究。所以本實驗選用實驗室自配的染料廢水，成分單一，雜質較少，有助于降解產物的分析和降解歷程的探討。稱取1g染料溶于1L蒸餾水中，配成濃度為1000mg/L的染料廢水。

(三)脫色率的測定

1.堿性嫩黃O的標準曲線

用紫外—可見吸收光譜儀對1000mg/L的染料標準儲備液進行掃描，測得堿性嫩黃O的最大吸收波長為430nm，用分光光度計在最大可見吸收波長430nm處測定其吸光度，以染料濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制吸光度—濃度曲線。圖2為堿性嫩黃O吸光度—濃度曲線。堿性嫩黃O的標準曲線為：y=0.1001x+0.0127，R2=0.9998，在0～9mg/L濃度范圍內線性關系良好。

圖2 堿性嫩黃O含量標準曲線

2.堿性嫩黃O的脫色率

由圖2知，在0～9mg/L濃度范圍內，C與A呈現良好的線性關系。測定吸光度值，通過計算可以獲得染料的脫色率：

式中：A0—處理前水樣在最大吸收波長處的吸光度；

A—處理后水樣在最大吸收波長處的吸光度；

C0—處理前廢水中堿性嫩黃O含量，mg/L；

C—處理前廢水中堿性嫩黃O含量，mg/L。

四、結果與討論

(一)pH對脫色率的影響

取7個500mL燒杯，分別加入300mL配制好的堿性嫩黃O染料廢水，加入4g鐵屑及4g活性碳，然后將每組水樣的pH值分別調至1，2，3，4，5，6，7，并用攪拌器以200r/min的轉速攪拌。攪拌時間為120分鐘，攪拌結束后取下燒杯，把水樣的pH值調到弱堿性后靜置沉降。沉降后的上清液用中速濾紙過濾，然后分別測定處理后水樣的脫色率。實驗結果如圖3所示。

圖3 pH值對脫色率的影響

由圖3可以看出，當pH<3時，脫色率隨pH值的增加而升高，當pH>3時，脫色率隨pH值的增加而降低。這是因為當pH值較低時，氧的電極電位較高，微電解的電位差變大，從而促進電極反應。

(二)鐵屑投加量對脫色率的影響

取7個500mL燒杯，分別加入300mL配制好的堿性嫩黃O染料廢水，調節pH為3，定量投加活性碳4g后，依次向每組水樣中投加3、3.5、4、4.5、5、5.5、6g鐵屑。并用攪拌器以200r/min的轉速攪拌。攪拌時間為120分鐘，攪拌后取下燒杯，將水樣的pH值調到弱堿性后靜置沉降。取沉降后的上清液過濾，然后分別測定處理后水樣的脫色率。實驗結果如圖4所示。

圖4 鐵屑投加量對脫色率的影響

由圖4可以看出，堿性嫩黃O染料的脫色率隨鐵屑投加量的增大而先增大后減小。當鐵屑的投加量為5g時脫色率達到最大值。當鐵屑和活性碳在與染料進行反應時，經過充分攪拌之后形成的無數“微電池”使鐵發生快速氧化，從而在鐵屑表面形成鐵的氧化物，使鐵屑表面處于活化狀態并參與染料脫色。當鐵屑投加量小于5g時，由于鐵的加入量不足，使鐵碳微電池數量很少，處理效果不好；在鐵屑投加量大于5.0g時，雖然鐵量增大了，但鐵碳顆粒之間相互發生堆積，使鐵碳電極的有效面積減少，從而間接地減少了鐵碳微電池的數量，影響處理效果。

(三)鐵碳質量比對脫色率的影響

取6個500mL燒杯，分別加入300mL配制好的堿性嫩黃O染料廢水，調節pH值為3，向廢水中分別加入5g鐵屑，控制鐵碳比為1：0.7、1：0.8、1：0.9、1：1.0、1：1.1、1：1.2，即改變活性碳的加入量為3.5、4、4.5、5、5.5、6g。并用攪拌器以200r/min的轉速攪拌。攪拌時間為120分鐘，攪拌后取下燒杯，將水樣的pH值調到弱堿性后靜置沉降。取沉降后的上清液過濾，然后分別測定處理后水樣的脫色率。實驗結果圖5所示。

圖5 活性炭投加量對脫色率的影響

由圖5可以看出，固定鐵屑投加量為5g，改變投加鐵碳比，堿性嫩黃O染料的脫色率隨活性碳投加量的增加先增加后降低。當活性炭投加量為4g，即鐵碳比為1:0.8時，脫色率達到最大，為69.75%。鐵屑和活性碳分別構成原電池的陰極和陽極。在配比合理，且混合均勻的條件下，兩者有較大的有效接觸面積，會形成數目較多的原電池，可以有效分解難降解的有機物。如果鐵碳配比不合理，過大或過小都不能完全氧化分解廢水中的難降解的有機物。當碳的投加量過少時，原電池數量不夠，導致去除率下降；碳的投加量過大反而會抑制原電池的反應，從而導致去除率也跟著下降。

(四)反應時間對脫色率的影響

取6個500mL燒杯，分別加入300mL配制好的堿性嫩黃O染料廢水，調節pH值為3，再向模擬水樣中分別加入5g鐵屑，控制鐵碳比為1：0.8。并用攪拌器以200r/min的轉速攪拌，控制反應時間分別為30min、60min、90min、120min、150min、180min。攪拌后將燒杯取下，調節水樣的pH值為弱堿性后靜置沉降，取沉降后的上清液過濾，然后分別測定處理后水樣的脫色率。實驗結果圖6所示。

圖6 反應時間對脫色率的影響

從圖6可以看出，脫色率隨著反應時間的增加而先增加后趨于穩定，在120min后基本保持不變。脫色率的增高，一方面是由于反應剛開始時碳粒對染料的吸附作用導致的；另一方面是由于鐵碳微電解反應的主要作用是氧化還原反應和電極附集作用。反應120min后，染料的脫色變化很小，趨于穩定，這是因為隨著反應時間的增加，電極被有機物質包裹，并且鐵電極由于被氧化而發生了鈍化，使得鐵碳反應受阻，所以處理效果不再明顯，反應已基本處于平衡狀態。所以鐵碳最佳反應時間為120min。

五、結論

堿性嫩黃O染料廢水的最佳反應條件為：pH值為3，鐵屑投加量為5g，鐵碳質量比為1：0.8，反應時間為120min。最佳反應條件下處理的廢水的脫色率為70.8%。

【參考文獻】

[1]高興的加菲.染料行業記錄[EB/OL].https://xueqiu.com/8489104454/26258477？page=9,2013.11.25.

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