K修飾Cu/AC催化降解染料廢水的研究

陳志挺 劉岑瑩 連鴻斌 饒瑞曄 曾韋斌

(武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300)

0 引言

我國紡織行業排放的廢水量巨大，其中印染廢水組成成分復雜，水質多變，具有高COD，高毒性，難降解等特點。同時印染廢水中含有染整過程中所流入的各種有機染料、表面活性劑等，大部分成分難以被傳統微生物法降解。若沒有經處理達標后排放，不僅會對生態環境造成嚴重的污染和破壞，而且容易通過動物和植物累計進入人體，對人體造成危害[1]。

目前印染廢水的處理方法主要有混凝法、吸附法、氧化法、電化學法、生化法等等[2-5]。混凝法處理投加的混凝劑較多，同時排放的污泥量也大存在處理成本高，污泥后續處理的難度大的問題。吸附法對一些水溶性較好的染料吸附效果較好，但此方法會產生較多的泥渣，同樣需要進一步處理。電化學法具有對環境溫和，具有不產生二次污染等優點，但其過程能耗大等缺點使其尚未得到大范圍的應用。生化法為傳統處理方法，具有處理成本低等優點，但由于染料廢水的復雜性，常需要物理化學法進行前處理，且對菌種的選育難度較大。

高級氧化法具有反應快速，不產生二次污染等優點受到廣泛關注。本研究采用常溫常壓的濕式氧化法，以雙氧水為氧化劑，通過浸漬法制備催化劑，對模擬染料廢水進行影響因素探究。

1 實驗部分

1.1 催化劑制備

稱取等量多份(每份60g)的活性炭進行預先清洗，將其附著的炭粉清洗去除，干燥備用。稱取一定量的硝酸銅和硝酸鉀，配制成一定濃度的浸漬液，將清洗后的活性炭浸漬24小時。完成后在烘箱中干燥，接著在氮氣氛圍下于管式爐中280℃煅燒4小時后即得到K修飾Cu/AC負載型催化劑。

1.2 催化實驗及方法

實驗中以10mg/L濃度亞甲基藍溶液作為反應液，雙氧水添加量為0.5%，使用蠕動泵將反應液輸入裝有催化劑的層析柱中，每隔一段時間取樣測試。

其中催化劑對亞甲基藍溶液的脫色率計算如下：

式中：η為降解率；C0表示為反應前亞甲基藍溶液的濃度；C為反應后t時亞甲基藍溶液的濃度。

2 結果與討論

2.1 Cu，K負載量的影響

圖1 不同Cu，K負載量對催化性能的影響

采用不同Cu，K摩爾比浸漬煅燒得到的催化劑效果如圖1所示。結果表明，Cu負載與K修飾都可以提升脫色效率，Cu:K為0.5mol:0.5mol配置的浸漬液制備的催化劑表現最佳，4h反應后脫色率仍能保持至75%以上。K在煅燒后形成氧化物，反應過程中轉化為氫氧化物，對活性炭有一定腐蝕作用，提供更多活性位點[6]。Cu氧化物作為雙氧水的催化劑，將雙氧水催化分解為羥基自由基，將染料大分子氧化脫色。

2.2 反應液pH值的影響

實驗結果顯示，pH值對催化過程有明顯的影響(圖2)，pH大于7，脫色效率上升，但消耗大量的堿液調節，增加處理成本。當pH小于7時，由于部分Cu氧化物與酸反應流失，脫色效率下降。亞甲基藍水溶液本身呈弱堿性，故選擇pH值為7～9作為反應合適pH值。一方面保護催化劑活性組分穩定，另一方面結合脫色效率與經濟性考慮。

圖2 不同反應液pH對催化性能的影響

2.3 反應溫度的影響

反應溫度影響反應速率，溫度較低，反應速率較慢。溫度較高，能夠提升催化效率，但同時會加快雙氧水的自分解速率。本實驗選取不同反應溫度，分別為：30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，其降解率如圖3所示。對比常溫溫度，溫度高于后，脫色效率提升較大，達到95%以上。但當溫度繼續升高，則脫色效率提升不明顯。綜合經濟性考慮，選擇40℃作為最佳反應溫度。

圖3 反應溫度對催化性能的影響

2.4 催化劑穩定性能探究

為考察催化劑在運行時的穩定性及連續使用壽命，設計24h連續反應實驗。采用自制連續反應實驗裝置，在單因素最優的條件下進行，每隔一定時間取樣進行脫色效率測試。其結果如圖4所示。

圖4 24h連續穩定實驗測試

當反應進行到120～150min，廢水脫色率已經達到了95%以上，之后降解率一直維持95%以上，保持穩定，出水水質接近透明，且此時出水CODCr去除率也達到了91.6%以上。結果表明，K修飾的Cu/AC具有較高的脫色率以及降解性能，并且具備良好的穩定性。

3 結語

通過浸漬煅燒法制備K修飾Cu/AC催化劑，探討催化劑Cu，K負載量，反應液pH值，反應溫度對亞甲基藍模擬廢水的處理情況。結果表明最佳反應條件為Cu：K為0.5mol：0.5mol，pH為弱堿性，溫度為40°C時，對10mg/L模擬廢水的脫色率可以達到95%以上，并且該催化劑具有穩定的處理效率。該結果一方面由于K的修飾使得活性炭表面具備更多的活性位點，增強其吸附性能，另一方面由于活性組分Cu在合適的條件下對雙氧水進行催化分解，使得染料大分子被降解甚至部分被礦化。該催化劑具有反應快速，成本低廉，易制得等優點，但實際廢水成分復雜，水量多變，還需對催化劑進行進一步的優化以適應實際情況，才可有望應用于印染廢水處理。