亞鐵離子催化活化過碳酸鈉降解甲基橙的研究

李富華 李潤琪 江學頂 許偉城 鐘嘉恒 陳靜

摘 ? 要：印染行業產生的印染廢水，能被傳統Fenton試劑法處理，此法存在一定缺點。基于此法的反應原理，本文采用過碳酸鈉SPC代替過氧化氫H2O2，通過亞鐵離子Fe（Ⅱ）催化SPC，探索在不同初始濃度、不同pH值、不同投藥時間等條件下，Fe（Ⅱ）/SPC組合體系對甲基橙廢水的降解影響。實驗發現，pH=2.6，組合體系Fe（Ⅱ）/SPC組合體系濃度比為0.6mmol/L：0.4mmol/L，在廢水中投加Fe（Ⅱ）/SPC組合體系的時間分別設置為0min，3min，可使甲基橙廢水降解率達到97%。本實驗探索出最佳的反應條件，為此方法的實際應用提供參考依據。

關鍵詞：亞鐵離子 ?過碳酸鈉 ?降解效果 ?催化活化

中圖分類號：X703 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0096-03

我國進行改革開放以來，印染業迅速發展，有機印染廢水成為水體污染的原因之一[1]。印染廢水中的有機污染物大量消耗水中溶解氧，嚴重影響水中生態環境，而沉降在水底淤泥中的有機物，發生厭氧分解反應從而產生大量硫化氫等有害氣體，惡化水環境和大氣環境。有機染料廢水可以經過吸附法、氧化法、電解法和生物法等方法進行處理[2]，Fenton試劑法作為一種化學氧化法，對有機染料廢水的處理也有一定的成效。但許多學者發現傳統Fenton試劑法存在一定的缺點，反應過程中要求pH過低，亦產生大量的鐵泥，形成二次污染[3]。因此，尋求更加環保、更高效的處理印染廢水的方法成為許多研究者的研究熱點。本文主要以甲基橙有機染料廢水作為主要的污染物，以亞鐵離子（Fe（Ⅱ））為催化劑、以過碳酸鈉（SPC）代替過氧化氫（H2O2）為氧化劑，探索Fe（Ⅱ）與SPC組合體系對甲基橙有機染料的降解情況。為改進傳統Fenton試劑法作出貢獻和參考。

1 ?材料與方法

1.1 實驗試劑與儀器

試劑：甲基橙，碳酸鈉，濃硫酸，過碳酸鈉，30%過氧化氫，硫酸亞鐵，氫氧化鈉等，均為分析純。

儀器：PHSJ-3F pH計，BS224S 電子天平，LC-DMS-H 磁力攪拌器，TU-181OSPC 紫外可見光分光光度計等。

1.2 分析及表征方法

使用去離子水配制0.3mmol/L的甲基橙溶液，利用1%稀硫酸以及0.1mol/L氫氧化鈉調節pH，篩選出最佳反應組合體系以及考察Fe（Ⅱ）、SPC最佳初始濃度和最佳pH對降解的影響。采取紫外可見分光光度法檢測甲基橙溶液的吸光度，檢測波長設置為464nm。

2 ?結果與討論

2.1 Fe（Ⅱ）、SPC初始濃度對甲基橙溶液的降解效果的影響

在Fe（Ⅱ）/SPC體系中，保持SPC的濃度為0.3mmol/L、甲基橙溶液濃度、溶液pH不變，Fe（Ⅱ）的濃度分別設置為0.1、0.3、0.6、0.9、1.2mmol/L，結果如圖1所示。

當Fe（Ⅱ）的初始濃度定為0.1mmol/L和1.2mmol/L時，Fe（Ⅱ）/SPC對甲基橙溶液的降解率不高，都處于5%以下，效果不太理想;而當Fe（Ⅱ）的初始濃度設為0.9mmol/L時，對甲基橙的降解率達到15%;當Fe（Ⅱ）的初始濃度設為0.3mmol/L時，反應到15min時，對甲基橙的降解率能達到25%，隨著反應時間的加長，降解率能達到34%;當Fe（Ⅱ）的初始濃度設為0.6mmol/L時，反應到5min時，對甲基橙的降解率達到33%，隨后25min，降解率基本穩定在33%。綜上，保持SPC濃度不變、pH值不變、其他影響因素不變的情況下，Fe（Ⅱ）的初始濃度設置為0.3mmol/L、0.6mmol/L時，對甲基橙降解效果好。

保持Fe（Ⅱ）濃度為0.3mmol/L、溶液pH不變，SPC的濃度分別設置為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8mmol/L，結果如圖2所示。

SPC的濃度處于0.4、0.6、0.8mmol/L時，與Fe（Ⅱ）反應，對甲基橙溶液的降解效果不太理想，降解率都低于5%。當SPC的濃度處于0.1mmol/L時，反應到5min時，對甲基橙的降解率達到30%，隨后25min內，降解率都穩定在30%左右，變化幅度不大;而當SPC的反應濃度處于0.2mmol/L，反應30min，對甲基橙溶液的降解率達到40%。SPC濃度處于0.2mmol/L，反應效果最好。

綜上，當Fe（Ⅱ）的反應濃度設為0.3mmol/L、SPC的濃度設為0.2mmol/L，此時得到Fe（Ⅱ）：SPC=3∶2的比例，相比于其他比例，這種比例對甲基橙的去除能達到比較好的效果。

2.2 初始pH對反應體系的影響

Fe（Ⅱ）與SPC的濃度比為0.3mmol/L：0.2mmol/L，考察不同pH對降解效果的影響，pH分別為2.6、4.6、5.6、6.6、8.6的情況下，結果如圖3所示。

從圖3得知，當反應溶液pH處于4.6、5.6、6.6、8.6時的降解效果都處于40%以下，當溶液pH調到2.6時，反應到9min降解率就達到了90%，隨著時間的增加，最終降解率能達到95%。所以說，當反應溶液的pH值處于2.6時，極大地提高了降解效果。

2.3 Fe（Ⅱ）/SPC組合體系的初始濃度比對反應體系的影響

在Fe（Ⅱ）與SPC的摩爾比為3∶2，pH設為2.6時，考察不同濃度的Fe（Ⅱ）和SPC對降解效果的影響。同時，設置一組Fe（Ⅱ）/H2O2于pH=2.6的反應條件下的對比實驗，比較Fe（Ⅱ）/H2O2、和Fe（Ⅱ）/SPC兩組組合體系在pH較低的條件下的降解效果。

從圖4可以看出，pH=2.6時，反應到5min時，Fe（Ⅱ）/H2O2對甲基橙的降解率上升到35%，隨后10min內，基本保持在40%。同等條件下，Fe（Ⅱ）/SPC的降解率能達到50%。所以說，保持pH相同，濃度比相同的情況下。Fe（Ⅱ）/SPC組合體系與Fe（Ⅱ）/H2O2組合體系相比，Fe（Ⅱ）/SPC組合體系對甲基橙的降解效果更好。

而Fe（Ⅱ）：SPC=1.2mmol/L：0.8mmol/L，這種濃度比的降解效率基本保持在70%。Fe（Ⅱ）：SPC=0.6mmol/L：0.4mmol/L，這種濃度比的降解效率在反應達到6min時基本保持在80%，是整組實驗中效果最好的一種。既節省了反應藥品用量和反應時間，且降解效果很理想。所以Fe（Ⅱ）：SPC=0.6mmol/L：0.4mmol/L，效果最好。

2.4 分次加藥對Fe（Ⅱ）/SPC體系的影響

在Fe（Ⅱ）和SPC的濃度為0.6mmol/L和0.4mmol/L時，將試劑平均分成兩份，間隔3min加藥，考察分次加藥的效果，結果如圖5所示。

由圖5可見，將Fe（Ⅱ）和SPC一次投加到甲基橙溶液中時，反應到6min，降解率能達到80%，隨著反應時間的增長，亦保持在80%左右。而將等量的Fe（Ⅱ）和SPC分次投加到甲基橙溶液中，反應到6min時，降解率能上升到97%，并保持在97%左右。在不改變藥劑用量的情況下，采用分次加藥的方法，能明顯提高甲基橙的降解率，達到更加理想的處理效果。

3 ?結語

（1）保持其他條件不變，只改變Fe（Ⅱ）的初始濃度，當Fe（Ⅱ）的初始濃度設為0.3mmol/L，對甲基橙溶液的降解效果最好。同理，保持其他條件不變，只改變而SPC的初始濃度，當Fe（Ⅱ）的初始濃度設為0.2mmol/L時，對甲基橙溶液的降解效果最好。

（2）pH=2.6時，Fe（Ⅱ）/SPC體系對甲基橙溶液的降解效果最好。

（3）pH=2.6時，Fe（Ⅱ）：SPC=0.6mmol/L：0.4mmol/L，此濃度比對甲基橙溶液的降解效果最好。

（4）pH=2.6時，Fe（Ⅱ）：SPC=0.6mmol/L：0.4mmol/L，采用分次加藥的方法，能夠明顯提高甲基橙的降解率。

參考文獻

[1] 章單偉.納米光催化材料的改性及降解有機染料廢水研究[D].華中科技大學，2016.

[2] 鄭冀魯，范娟，阮復昌.印染廢水脫色技術與理論評述[J].環境污染治理技術與設備，2000，1（5）：29-35.

[3] 陳智明.基于鐵離子活化過碳酸鈉氧化降解磺胺二甲嘧啶的研究[D].廣東工業大學，2017.