電化學(xué)方法處理粒子元青染料廢水的研究

王曉盈 陳淑婷 王枷楠 楊富國(guó)

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 廣東佛山 528000

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,水污染問(wèn)題已成為各國(guó)政府和研究人員普遍關(guān)注的問(wèn)題。含染料廢水是主要的環(huán)境問(wèn)題之一,由于染料廢水含有毒或有害化學(xué)成分較多,有的難降解,有的色度高,是工業(yè)廢水回收再循環(huán)利用研究的難題,大量的工業(yè)(紡織、造紙或紙漿、食品、皮革)會(huì)產(chǎn)生含染料和懸浮顆粒等的廢水,且有些染料難以被微生物降解,對(duì)人類、水生生物和微生物有毒,其中許多具有致癌性、致畸性、誘變性。目前,染料廢水的處理有物理法、化學(xué)法、生物化學(xué)法,化學(xué)法包括:化學(xué)混凝法、電化學(xué)氧化法、高級(jí)氧化法等[1-4],電化學(xué)氧化法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、降解效率高、無(wú)毒害成分形成等優(yōu)點(diǎn)。光電催化技術(shù)被認(rèn)為是滿足日益增長(zhǎng)的能源需求和提供有效的廢水處理的一種很有前途的高級(jí)氧化水處理技術(shù),它通過(guò)協(xié)同效應(yīng),使電化學(xué)氧化法與光催化氧化法有機(jī)結(jié)合,半導(dǎo)體光催化劑的光催化活性有效得到提高,并明顯地阻止了光生電子空穴對(duì)的復(fù)合,可以高效氧化降解有機(jī)污染物。它不僅可解決電化學(xué)氧化中經(jīng)常出現(xiàn)的電極鈍化現(xiàn)象,也克服了粉體光催化劑需后續(xù)分離的問(wèn)題。

目前我國(guó)染料產(chǎn)量位居世界第一,世界染料總產(chǎn)量的六成在中國(guó)生產(chǎn)。同時(shí),染料生產(chǎn)過(guò)程中,耗能高、污染大。據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國(guó)染料行業(yè),廢水排放量大約是744m3/噸染料,染料中的10%～20%,在使用和生產(chǎn)過(guò)程中,被排入水體中。假如按我國(guó)染料生產(chǎn)總量計(jì)算,僅在2021年一年,隨廢水直接進(jìn)入水體環(huán)境的染料,就有10萬(wàn)～20萬(wàn)噸。染料生產(chǎn)過(guò)程中,由于金屬、鹽類與聯(lián)苯胺類化合物、苯胺、蒽醌及苯系等物質(zhì)螯合,產(chǎn)生的廢水大多含金屬離子和鹽,顯酸性或堿性,有的含氯化物或溴化物,染料廢水色度高、化學(xué)需氧量也高,是目前最難處理的有機(jī)廢水之一。我國(guó)水環(huán)境安全受到威脅的重要原因之一,是大量染料廢水,排入我國(guó)水體環(huán)境。

目前,處理染料廢水的常用方法有膜過(guò)濾法、化學(xué)法、生物法及物理吸附法,在這4種方法中,較為傳統(tǒng)的方法是物理吸附法,是指氣體或液體(流體)混合物中一種或多種組分,被吸附劑(一般是多孔固體)積聚或凝縮在其表面,進(jìn)而達(dá)到分離的方法。常規(guī)的物理吸附法優(yōu)點(diǎn)是可回收,缺點(diǎn)是處理效率較低,因此,如何提高其吸附效率是亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述的技術(shù)問(wèn)題,仇勇[5]提供一種用于染料廢水處理的吸附材料及其制備方法,采用靜電紡絲法制備的紡絲膜具有獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和互相連通的孔道,首先在紡絲膜的表面,吸附染料分子,染料分子再進(jìn)入紡絲膜的孔道內(nèi),主要依靠擴(kuò)散作用,同時(shí),因?yàn)榧徑z膜有很高的孔隙率、比表面積巨大,可以大量提供與染料分子相互作用的吸附活性點(diǎn)位,使得紡絲膜對(duì)染料分子的吸附容量更高。

染料廢水是一種很難進(jìn)行降解處理的廢水,因?yàn)槠涑煞謴?fù)雜、含有機(jī)物種類多。在印染過(guò)程中,酸、堿、無(wú)機(jī)鹽及染料等被大量使用,特別是染料,分子中含有極性基團(tuán)、顯色基團(tuán)等,結(jié)構(gòu)也特別復(fù)雜,不易被降解,生物處理性也很差。假如在染料廢水中,含有一些萘、酚類物質(zhì),毒性就會(huì)增加,盡管通過(guò)各種處理手段,在廢水中還會(huì)殘留這些污染物。排出的染料廢水對(duì)人們的健康有危害,因?yàn)槠浜写罅康挠卸居泻衔?水質(zhì)也十分復(fù)雜,對(duì)大自然的生物生長(zhǎng)也會(huì)造成不利影響,屬于有毒有害的有機(jī)污染物。

染料廢水具有吸光性,會(huì)使水的清澈度降低,水變得渾濁不清,降低了水生物的生存功能,傷害了水中的生物,對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)帶來(lái)一定的影響。所以,染料廢水對(duì)人類、環(huán)境及自然生物都產(chǎn)生了一定的危害[6]。

大量的合成染料在紡織、皮革、造紙、塑料和橡膠等行業(yè)中用于產(chǎn)品著色,但實(shí)際的染色過(guò)程中僅有部分染料被有效利用,剩余部分則殘存于水中。此外,以氯化鈉和硫酸鈉為代表的無(wú)機(jī)鹽常作為染色助劑加入,以增強(qiáng)織物對(duì)染料的吸收而提高上染率,這樣即產(chǎn)生大量富含染料的高鹽度廢水。

未經(jīng)合理處置的此類廢水直接排放,不僅是對(duì)水資源、有價(jià)值染料和無(wú)機(jī)鹽的浪費(fèi),而且還將嚴(yán)重威脅環(huán)境與人體健康。傳統(tǒng)的印染廢水處理方法主要有吸附、高級(jí)氧化、混凝/絮凝及生物降解等,但這些方法主要用于廢水中染料的去除,無(wú)法實(shí)現(xiàn)有價(jià)資源的回收[7]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用的水樣,為自配的粒子元青染料溶液,體積為500mL,電解陽(yáng)極、陰極都采用Ti網(wǎng),電解槽采用玻璃燒杯,槽中極板固定間距50mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 儀器與材料

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

粒子元青(原染料,天津市亞?wèn)|化工有限公司);氯化鈉(分析純,佛山西隴化工有限公司);電解陽(yáng)極、陰極(Ti網(wǎng),創(chuàng)良科技有限公司)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(TU-1810型,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司),直流穩(wěn)壓電源(TPR-1510型,創(chuàng)良科技有限公司),恒溫磁力攪拌器(85-2型,鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 染料廢水的配制

用稱量紙稱取粒子元青25mg,放入燒杯中,加水溶解,準(zhǔn)確稱取電解質(zhì)氯化鈉,攪拌溶解后,用水定容至1L容量瓶中。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

準(zhǔn)確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開(kāi)磁力攪拌器電源,啟動(dòng)攪拌。調(diào)節(jié)好電解電源的電流,在不同的電解時(shí)間取樣,脫色率的測(cè)定方法為:實(shí)驗(yàn)前,用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)566nm處的吸光度(以下簡(jiǎn)稱Abs),t時(shí)間時(shí),同樣在波長(zhǎng)566nm處測(cè)量廢水的Abs,染料脫色率計(jì)算公式為:

式中,A0為初始染料吸光度,At為t時(shí)間的染料吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解時(shí)間的影響

準(zhǔn)確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開(kāi)磁力攪拌器電源,啟動(dòng)攪拌。電流密度為2.5A/dm2,電解質(zhì)濃度為25.0g/L條件下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 電解時(shí)間對(duì)色度的影響

粒子元青染料廢水的吸光度隨電解時(shí)間的變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出,粒子元青染料廢水的吸光度情況:0到10分鐘內(nèi),染料廢水的吸光度由原來(lái)的0.666降為0.339,通過(guò)公式計(jì)算,降解率為49.10%;10到20分鐘內(nèi),染料廢水的吸光度由0.339降為0.204,降解率為69.37%;20到30分鐘內(nèi),染料廢水的吸光度由0.204降為0.177,降解率為73.42%;30到40分鐘內(nèi),染料廢水的吸光度由0.177降為0.155,降解率為77.33%,降解率從73.42%升高到77.33%,這一時(shí)間段為色度的緩慢去除階段。

2.2 電解質(zhì)濃度的影響

準(zhǔn)確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開(kāi)磁力攪拌器電源,啟動(dòng)攪拌。電流密度為2.5A/dm2,添加電解質(zhì)濃度分別為15.0g/L、20.0g/L、25.0g/L條件下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 NaCi濃度的影響

隨著電解的進(jìn)行,吸光度的變化如圖3所示。由圖3可見(jiàn),隨著電解質(zhì)濃度由15.0g/L、20.0g/L,增加到25.0g/L,粒子元青染料廢水的吸光度逐漸減小,降解率增加顯著。在粒子元青染料廢水的濃度不變,電流密度不變,電解質(zhì)濃度不同的條件下,電解質(zhì)的濃度越高,粒子元青染料廢水的吸光度越小,降解率越大。電解質(zhì)濃度為15.0g/L,電解40分鐘時(shí),吸光度為0.278,降解率為58.26%;電解質(zhì)濃度為20.0g/L,電解40分鐘時(shí),吸光度為0.253,降解率為62.01%;電解質(zhì)濃度為25.0g/L,電解40分鐘時(shí),吸光度為0.151,降解率為77.33%。

2.3 電流密度的影響

準(zhǔn)確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開(kāi)磁力攪拌器電源,啟動(dòng)攪拌。在電解質(zhì)濃度為25.0g/L,電流密度分別為2.5A/dm2、3.0A/dm2條件下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 電流密度對(duì)降解率的影響

隨著電解的進(jìn)行,粒子元青染料廢水降解率的變化如圖4所示。由圖4可見(jiàn),隨著電流密度由2.5A/dm2增加到3.0A/dm2,粒子元青染料廢水的吸光度逐漸減小,降解率增加。電解質(zhì)濃度為25.0g/L,電流密度為2.5A/dm2,電解40分鐘時(shí),吸光度為0.151,降解率為77.33%;電解質(zhì)濃度為25.0g/L,電流密度為3.0A/dm2,電解40分鐘時(shí),吸光度為0.143,降解率為78.53%。通過(guò)比較,電流密度宜取3.0A/dm2。

2.4 染料初始濃度的影響

準(zhǔn)確量取500mL粒子元青染料廢水,放入燒杯中,打開(kāi)磁力攪拌器電源,啟動(dòng)攪拌。在電解質(zhì)濃度為25.0g/L,電流密度為2.5A/dm2,粒子元青染料濃度分別為25mg/L和50mg/L條件下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 染料初始濃度對(duì)降解率的影響

由圖5可以看出,在電解質(zhì)濃度為25.0g/L,電流密度為2.5A/dm2,粒子元青染料濃度為25mg/L條件下,電解20分鐘時(shí),粒子元青染料的降解率為69.37%,粒子元青染料濃度為50mg/L條件下,電解20分鐘時(shí),粒子元青染料的降解率為61.81%;粒子元青染料濃度為25mg/L條件下,電解40分鐘時(shí),粒子元青染料的降解率為77.33%,粒子元青染料濃度為50mg/L條件下,電解40分鐘時(shí),粒子元青染料的降解率為74.66%。

3 結(jié)論

(1)在粒子元青染料的濃度不變的條件下,電流密度越大,電解質(zhì)濃度越高,粒子元青染料的降解率越高。

(2)用電化學(xué)方法降解粒子元青染料廢水,以鈦網(wǎng)分別為陽(yáng)極、陰極,采用NaCl為電解質(zhì),電解40分鐘,降解率達(dá)最大值。

(3)電化學(xué)氧化降解粒子元青染料廢水的最佳工藝條件為:進(jìn)水濃度為25mg/L,電流密度3.0A/dm2,電解質(zhì)濃度為25.0g/L,電解時(shí)間為40min,該條件下粒子元青的降解率為78.53%。