Fenton法處理陽離子染料廢水試驗研究

2018-04-10 05:38:03 青州譚福環保設備有限公司 88

1引言

陽離子染料是一種紡織染料,又稱堿性染料和鹽基染料,該染料中的陽離子能與織物中第三單體的酸性基團結合而使纖維染色,是腈綸纖維染色的專用染料,隨著可染型腈綸制造技術的不斷完善, 陽離子染料的應用推廣也將不斷擴大。陽離子染料水溶性很強,且溶于水中時呈陽離子狀態。其生產廢水不僅成分復雜,COD濃度、含鹽量高,pH低,而且色度高達幾萬倍至幾十萬倍,可生化性差,采用傳統的處理方法很難達標排放。國內外對陽離子染料廢水的研究主要集中在色度的去處方面,具體處理方法有吸附法、膜分離法、氧化法、化學混凝法、電化學法、生物法等。其中氧化法尤其是高級氧化法、Fenton氧化法處理陽離子染料廢水具有成本低、操作簡單、可調性大、效果明顯等多種優點。因此,本實驗通過采用Fenton試劑處理陽離子染料結晶紫溶液,分析各影響因子對脫色率的影響和確定最佳實驗條件。

2試驗部分

2.1試驗材料

2.1.1主要儀器

722S分光光度計,pHS.3C型酸度計,BL.200A型電子天平等。

2.1.2藥劑

30%過氧化氯溶液,七水硫酸亞鐵(分析純),結晶紫(分析純),濃硫酸,氫氧化鈉(分析純)。

2.1.3試樣水質

常見的陽離子染料有結晶紫、堿性紅、亞甲藍等, 因為實際廢水成分太過復雜,不利于試驗過程中的機理分析,本研究選取結晶紫水溶液作為模擬陽離子染料廢水。結晶紫是三苯甲烷結構,其結構式如圖1所示。模擬水樣結晶紫的濃度是0.3g/L,最大吸收波長為580nm。

2.2試驗方法

2.2.1結晶紫濃度曲線

繪制結晶紫梯度濃度與580nm吸光度值的關系曲線,在以后的試驗中,通過測定的吸光度來計算出對應的濃度值,進而算出結晶紫的降解率,評估Fenton試劑的氧化效果。結晶紫的標準曲線如圖2所示。

2.2.1單因素試驗

影響Fenton試劑氧化作用效果的因素很多,包括環境溫度、水樣pH、染料濃度、亞鐵離子投加濃度、過氧化氫投加濃度、反應時間、雙氧水投加方式、攪拌強度等 。本研究在查閱參考相關文獻的基礎上,確定pH、七水硫酸亞鐵投加濃度、過氧化氫投加濃度、反應時間為本次試驗的討論因素,并取100 mL模擬陽離子染料廢水進行實驗,調節模擬水樣的pH,投加一定量七水硫酸亞鐵,用玻璃棒攪拌,待其完全溶解,立即用移液管移取一定量的30%雙氧水,然后反應并沉淀一段時間,抽取上清液測定其吸光度。

(1)水硫酸亞鐵投加濃度單因素變量

固定H202投加濃度為6 ml/L,pH為3,反應時間為70 min,改變FeSO4.7H2O的投加濃度分別為250 mg/L、500 mg/L、1000mg/L、l 500 mg/L、2000 mg/L、2500 mg/L、3000 mg/L。

(2)過氧化氫投加濃度單因素變量

固定FeSO4’7H2O投加濃度為1000mg/L,pH為3,反應時間為70 min,改變H2O2的投加濃度分別為4 ml/L、6 ml/L、10 ml/L、15 ml/L、20 ml/L、30 ml/L、40 ml/L。

(3)pH單因素變量

固定FeSO4-7H2O投加濃度為1000 mg/L,H2O2投加濃度為6mL/L.反應時間為70min,改變初始pH為l、2、3、4、5。

(4)反應時間單因素變量

固定FeSO4.7H2O投加濃度為1000 mg/L,H202投加濃度為6mL/L,pH為3,改變反應時間為15 min、30 min、45 min、50 min、70min、90min。

2.2.2正交試驗

正交試驗采用 因素三水平,用L9(3 )型正交表進行試驗。根據上述單因素試驗測定結果,選擇相應因素的進行三水平正交試驗,測定各組反應后吸光度值。

2.3分析方法

通過分光光度計測定樣液在波長580 nm下的吸光度值A,根據所繪制的結晶紫標準曲線換算成對應結晶紫濃度Ct,則結晶紫的降解率如下式計算:

其中:c 一反應前結晶紫濃度;c— — 反應后結晶紫濃度。

3試驗結果與討論

3.1單因素試驗結果分析

3.1.1七水合硫酸亞鐵投加濃度的影響

FeSO4.7H2O投加濃度對結晶紫降解率如圖3所示

由圖3可以看出,最佳FeSO4.7H2O投加濃度為1000 mg/L。當FeS04’7H2O投加濃度從250 mg/L到l000 m嘰時,隨著Fe離子濃度的增加,廢水的降解率迅速升高,這說明Fe 離子催化H2O2生成·OH的速度越來越快;當FeSO4’7H2O的投加濃度為1000mg/L時,結晶紫降解率達到最高的99.5%;此后,隨著FeSO4.7H2O的投加濃度繼續增加, 降解率曲線遞減下滑, 從反應式:Fe +·OH=Fe +0H, 可以看出過量的Fe 會消耗大量氧化基團·OH的量。因而,過量FeSO4’7H2O不會增加陽離子染料廢水的脫色效果。

3.1.2過氧化氯投加濃度的影響

H2O2投加濃度對結晶紫降解率如圖4所示。

由圖4可以看出,最佳H2O2的投加濃度為15 mL/L。當H2O2的投加濃度從4 mL/L到15 mL/L時,隨著H202濃度的增加,廢水的降解率明顯升高,這說明在Fe的催化作用下,H2O2的投加濃度的增加有利于產生更多的羥基自由雉:當H2O2的投加濃度為15 mL/L時,結晶紫降解率達到最高的99.7%;此后,隨著H202的投加濃度的繼續增加,降解率呈現下降的趨勢,說明當H2O2濃度過高時,根據反應式:2·OH+H2O2—2 H2O+O2,過多的H2O2

破壞大量生成的·OH自由基,這也造成H202自身的無效分解;此外,根據反應式:Fe +H2O2一·OH+OH一+Fe ,過多的H2O2也會將Fe 氧化成Fe 的同時,而使氧化反應在Fe 的催化下進行,降低了·OH 自由基的產生效率。

3.1.3水質初始pH的影響

pH對結晶紫降解率如圖5所示。

由圖5可以看出,最佳初始pH=3。當pH小于3時,降解率隨pH 的升高而升高。這說明溶液中的H 濃度過高,反應Fe +H2O2一Fez++HO2’+H ,將受抑制,生成的Fe 不能順利地被還原為Fe ,催化反應受阻;當pH=3時,降解率達到最高的99.4%;當pH大于3后,降解率隨pH的升高而逐漸降低,這說明Fenton試劑是在酸性條件下發生作用,在中性和堿性條件下,pH升高抑制了·OH的產生;當水樣pH過高時,Fe 會以氫氧化物的形式發生沉淀而失去催化能力;另外,隨著pH 的升高,H2O2的穩定性下降,高pH會造成H2O2的自身氧化分解。

3.1.4 反應時間的影響

反應時間對結晶紫降解率如圖6所示。

由圖6可以看出,在本試驗所測定的時間范圍內,結晶紫降解率一直隨時間的延長而不斷升高。在l5 min到50 min時間段里,降解率升高迅速,從98%躍升到99.5%。在50min到70min時間段里,降解率升高的速度開始逐漸減慢。當反應時間達到70min時, 降解率達到99.8%。在70 min之后,隨著時間的增長,降解率增長速度變得十分緩慢,基本變化不大。所以結合試驗效果和成本考慮,最佳的反應時間為70 min。

3.2正交試驗分析

經過前面的單因素試驗,已經初步確定了Fenton試劑氧化處理模擬印染廢水的影響條件,為了得到最佳的組合,并進一步分析各影響因素對水樣處理影響的強弱, 設計了四因素三水平的正交試驗,試驗的模擬廢水量均為100 mL。試驗設計及結果如表1所示。

由表1可得出,Fenton試劑的使用對模擬印染廢水色度的去除效果顯著,水樣結晶紫降解率達98%以上。由RA>RD>RB>RC可知,影響因素的主次為FeSO4”7H2O投加濃度>反應時間>H2O2投加濃度>初始pH。正交得出的最佳試驗條件為:FeSO4.7H20投加濃度為l000 mg/L,H2O2投加濃度為l5 ml/L,初始pH為5,反應時間為90min。

4 結論

(1)Fenton試劑氧化降解陽離子染料的效果十分明顯,水樣中染料的降解率達到98%以上;

(2)通過單因素影響試驗和正交試驗,以結晶紫降解率為考察指標,綜合處理效果和成本各因素,確定模擬廢水的最佳處理條件是:FeSO4.7H20投加濃度為1000 mg/L,H2O2投加濃度為l5ml/L,初始pH為5,反應時間為90min;

(3)由于陽離子染料分子含有復雜的芳香基團和偶氮鍵,難以被傳統單一的生物處理方法降解。因此,實際生產中,我們可以優化Fenmn氧化與生物降解組合處理陽離子染料廢水,盡可能高效發揮羥基自由基的氧化與微生物降解作用,低成本解決陽離子染料廢水污染難題。

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