超聲波結合膨脹石墨及類芬頓試劑降解偶氮染料

岳冬梅 杜霞 李娟(河北師范大學匯華學院，河北 石家莊 050091)

0 引言

如何有效地分解對生態環境的危害十分嚴重的偶氮染料污染物廢水，是廢水處理領域以及環境保護領域的重要研究方向。偶氮染料廢水的生物降解性特別差，如今傳統的降解方法幾乎無法使降解達標。但是人們通過超聲化學發現了一種新的廢水處理方法。此種方法是利用超聲化學方法對工業廢水中的有機污染物進行降解，特別是對使用正常方法無法降解的有機污染物。這種方法已經成為了廢水處理的一個研究方向，經過全世界科學家的努力，這種方法已經有了進展。此外，由于此水處理技術機器設施設計簡便、使用方法簡單易懂、并且使用時安全清潔，超聲化學分解法具有廣闊的發展前景。

1 膨脹石墨用量的變化對體系降解效果的影響

對于一定量的酸性黑210溶液的處理方式，本次實驗采用了超聲協同膨脹石墨及類芬頓試劑降解法。只將膨脹石墨用量改變(分別為0.1g/L，0.2g/L，0.3g/L，0.4g/L)，但是類芬頓試劑用量不變，而其他的條件，包括實驗條件與操作方法等外在因素也不進行改變，以此記錄酸性黑210的降解效果，可以看出膨脹石墨用量對效果的影響。根據記錄可以看出酸性黑210的分解速率根據膨脹石墨用量的增加而加快。在膨脹石墨的用量從0.1g/L增加到0.2g/L后，酸性黑210的分解速率出現了一個較大的提高，而當膨脹石墨用量超過0.2g/L以后，酸性黑210的分解速率提高并不多，趨于平衡。因此從記錄中，可以看出，酸性黑210的分解速率增長最快的時候為膨脹石墨用量在0.1g/L～0.2g/L時。而當膨脹石墨用量在0.3g/L～0.4g/L時酸性黑210降解率沒有產生太大的起伏。同時使膨脹石墨用量超過0.4g/L后，對于酸性黑210的分解速率也沒有太大的影響。所以從記錄中可以得出以下結論：膨脹石墨對于酸性黑210的分解速率影響的最佳用量為0.2g/L。

2 過氧化氫投加量的變更對目標體系降解效果的影響

確定了膨脹石墨用量后，在酸性黑210的分解過程中添加少量過氧化氫。通過添加過氧化氫，可以看到酸性黑210的分解效率有了顯著提高。由此可以得出結論，過氧化氫的施用量對酸性黑210的分解有很大的影響。當其他條件不變時，只改變過氧化氫的投放量，使用室溫超聲降解處理105min。隨著過氧化氫投放量的增加，羥基自由基的生成速度和收率增加，分解速度增加。在過氧化氫的投放量為0.4ml(2.72g/L)時，分解效果良好。當劑量增加時，酸性黑210的分解速度并沒有明顯增加。因此，為了減少過氧化氫消耗量，控制實驗成本，本次實驗測定了0.4ml(2.72g/L)的過氧化氫為最佳用量。當膨脹石墨的添加量為0.2g/L時，為了達到最佳分解效果，氧化劑的用量為2.72g/L。在膨脹石墨的最佳添加量下，過氧化氫的分解被完全利用，氧化劑被消耗得更充分。降解率為89.72%，顯示出較高的降解率。

3 變更超聲功率對目標體系降解效果的影響

本次目標體系的降解率根據超聲功率的提高，也增加了降解率。根據實驗可以得到，當超聲波功率被增加至500W時，降解率達到巔峰。不過從控制實驗的成本角度以及降解率的增幅曲線考慮，可以看出本實驗的最佳降解超聲波功率為400W，使用后降解率為95.96%。

4 溶液pH的變更對目標體系降解效果的影響

pH值對于類芬頓系統有較大的影響，只有當pH值在一個合適的數值時，才能有利于羥基自由基的生成。許多實驗表明類芬頓反應體系在pH值3～5的范圍內達到了最高反應條件，此范圍與有機物質的類型幾乎無關[1，2]。數顯酸度計顯示的原始溶液的pH值約為6。觀察酸性黑分解速度的快慢，本次實驗在pH=2～6的范圍內進行調查，當酸性黑分解速度最大，可以看到此時的pH值為3。通過翻閱大量實驗數據可以得出，pH值小于6時，生成大量的羥基自由基，有利于物質的分解。但是，將pH值設定為3時，羥基自由基的生成沒有進一步增加，物質的分解速度降低。因此，初始溶液的pH值過高或過小，對于酸性黑210的分解都有不利之處，只有當其pH值為3時，可獲得最大的降解率。

5 高氯酸鐵投加量變更對類芬頓氧化效果的影響

使用10mg/L濃度的高氯酸鐵溶液，其他條件不變，將高氯酸鐵作為單一變量進行控制。高氯酸鐵的加入量分別為0.13g/L、0.17g/L、0.25g/L、0.5g/L、1g/L。Fe3+的水解隨著高氯酸鐵的加入量增加，而Fe3+的水解，對于羥基自由基的產生速度和產量有著直接的影響。隨著給藥量的增加，降解率明顯增加。根據最終的實驗數據，高氯酸鐵的最佳施用量為0.5g/L。

6 草酸銨的投加量對體系降解效果的影響

使用濃度為0.1g/L的草酸銨溶液，使其他條件不變，將草酸銨溶液作為單一變量進行控制。草酸銨溶液添加量分別為0g/L、0.13g/L、0.17g/L、0.25g/L、0.50/L。利用超聲波在室溫下分解105min，用紫外可見分光光度計檢測酸性黑210溶液濃度。將草酸銨設定為0～0.25g/L時，降解率較高，變化較小。將草酸銨設定為0.5g/L時，降解率達到峰值。因此，草酸銨0.5g/L分解效果最良好。絡合物可以影響染料的降解效果，而此絡合物由草酸銨作為絡合劑和三價鐵離子形成。

7 結語

本論文的研究主要圍繞著超聲結合其他方法在降解偶氮類染料污染物的效率上比較展開考察，確定了最佳降解條件，并研究探討了降解機理。本論文初步摸索偶氮染料廢水的創新降解技術，為今后工業染料廢水的降解處理提供理論依據和實驗基礎。具體來講，取得了以下幾方面的成果：

本論文通過超聲波，將偶氮染料污染物質的分解與其他方法進行結合，針對酸性黑210溶液的降解率，明確了最佳降解條件，同時對降解機理進行了鉆研。研究了偶氮染料廢水的創新分解技術，提供切實理論基礎和實驗基礎，使得此技術工業化有了基礎。具體取得了以下成果：

(1)本次實驗采用的方法為正交實驗法，最終得到了優質無硫膨脹石墨，膨脹容積是260mL/g。

(2)對于分解偶氮染料污染物的超聲結合降解方法有了基本的了解，并得到了初步總結的方法：超聲協同膨脹石墨及類芬頓試劑降解法。

(3)本次實驗使用超聲協同膨脹石墨及類芬頓試劑降解法，實驗溶液為酸性黑210，酸性嫩黃，弱酸性蘭。本次實驗得到了最佳的降解條件，并且通過計算獲得了此條件下的最佳降解率。