王嘉承,初本莉,陳修棟,王 偉
(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)
Fenton試劑氧化法因其反應(yīng)快速和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的研究和應(yīng)用。1964年Eisenhouser首次使用Fenton試劑處理苯酚及烷基苯的廢水,開創(chuàng)了Fenton試劑在環(huán)境污染物處理中應(yīng)用的先例[1]。但傳統(tǒng)的Fenton試劑氧化法在處理污水的過程中容易產(chǎn)生二次污染,且對(duì)反應(yīng)體系的pH要求較為苛刻[2-4]。因此,傳統(tǒng)的均相Fenton試劑氧化法[5-6]逐漸被非均相Fenton試劑氧化法替代。將Fe固定在載體(如硅膠、A l2O3、分子篩[7]以及黏土材料[8])上,通過形成非均相Fenton反應(yīng)體系,可擴(kuò)大反應(yīng)體系的pH適用范圍,并減少鐵污泥造成的二次污染[9]。此外,研究發(fā)現(xiàn),通過摻雜金屬的方法改變Fenton反應(yīng)的催化劑,可促進(jìn)氧化性活性物種的產(chǎn)生[10];促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移,加速不同價(jià)態(tài)金屬之間的循環(huán)[11];增大比表面積,增強(qiáng)吸附性能[12]。但用稀土元素輔助的類Fenton反應(yīng)還鮮有報(bào)道。稀土元素同過渡族元素一樣具有變價(jià)性能,可促進(jìn)Fe(Ⅱ)與Fe(Ⅲ)之間的轉(zhuǎn)換,從而提高類Fenton反應(yīng)的效率。
本工作以靛藍(lán)為目標(biāo)污染物,采用稀土元素Pr輔助的類Fenton試劑氧化法處理模擬染料廢水。制備了雙金屬氧化物催化劑Fe2-xPrxO3,考察了催化劑中n(Pr)∶n(Fe)、催化劑加入量、初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度、H2O2加入量、廢水pH對(duì)廢水脫色效果的影響。
靛藍(lán)、Pr6O11、Fe(NO3)3、30%(w) H2O2溶液、HNO3、NaOH:分析純。
廢水:靛藍(lán)水溶液模擬的染料廢水。
UV-2550型紫外可見分光光度計(jì):日本島津分析儀器公司;JB-3型定時(shí)恒溫磁力攪拌器:上海電磁新經(jīng)儀器公司;DL-SM型離心機(jī):長沙湘儀離心機(jī)有限公司;YFX12/16Q-YC型馬弗爐:上海意豐電爐有限公司;PHB-4型便攜式pH計(jì):上海三信儀表廠。
采用共沉淀法[13],引入稀土元素Pr,制備雙金屬氧化物催化劑步驟如下。
將一定量的Pr6O11粉末加入一定量1 mol/L的HNO3中,在溫度為60 ℃、頻率為80 kHz的條件下超聲處理2 h,使其充分溶解,然后稀釋成0.1 mol/L的Pr(NO3)3溶液。
將0.1 m ol/L的Pr(NO3)3溶液與0.1 m ol/L的Fe(NO3)3溶液以不同的n(Pr)∶n(Fe)混合均勻,室溫下在磁力攪拌器的作用下緩慢滴加適量的NaOH溶液。沉淀完全后,置于90 ℃的水浴鍋中老化1 h,然后再在室溫下冷卻2 h。抽濾,所得固體離心洗滌3次后,于恒溫干燥箱中干燥4 h,取出研磨成均勻粉末,最后置于馬弗爐中煅燒8 h,即得所需催化劑。
取100 m L廢水置于燒杯中,用HNO3或NaOH溶液調(diào)節(jié)廢水pH,并加入一定量的催化劑和一定量的H2O2,在磁力攪拌器上反應(yīng)一段時(shí)間。每隔10 min取樣,以3 000 r/m in的轉(zhuǎn)速離心5 m in,取上清液進(jìn)行測定。
采用紫外可見分光光度計(jì)測定上清液在波長610 nm處的吸光度,從而計(jì)算廢水脫色率。
在催化劑加入量為500 mg/L、初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度為30 mg/L、H2O2加入量為40 m L/L、廢水pH為7的條件下,n(Pr)∶n(Fe)對(duì)廢水脫色率的影響見圖1。由圖1可見,加入Pr的催化劑使廢水的脫色效果得到了明顯提高,且n(Pr)∶n(Fe)越大,脫色效果越好。這是因?yàn)?,Pr促進(jìn)了Fe(Ⅱ)與Fe(Ⅲ)之間的轉(zhuǎn)換,增強(qiáng)了催化性能,從而提高了降解效率,使得廢水脫色率增加。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和脫色效果,選擇n(Pr)∶n(Fe)=1∶5的催化劑作為進(jìn)一步的研究對(duì)象。
圖1 n(Pr)∶n(Fe)對(duì)廢水脫色率的影響
在n(Pr)∶n(Fe)=1∶5、催化劑加入量為500 mg/L、H2O2加入量為40 m L/L、廢水pH為7的條件下,初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度對(duì)廢水脫色率的影響見圖2。
圖2 初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度對(duì)廢水脫色率的影響
由圖2可見,廢水脫色率隨初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度的增加而減小,降解反應(yīng)60 m in,初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度為30,40,50,60,70 mg/L時(shí)的廢水脫色率分別達(dá)到87.71%,83.29%,72.42%,62.12%,58.87%。這是因?yàn)?,初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度的增大在一定程度上減少了活性基團(tuán)與有機(jī)物的作用幾率,并導(dǎo)致催化劑產(chǎn)生的·OH不足以氧化有機(jī)物,從而使廢水脫色率降低。因此,選擇初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度為30 mg/L。
在n(Pr)∶n(Fe)=1∶5、初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度為30 mg/L、H2O2加入量為40 m L/L、廢水pH為7的條件下,催化劑加入量對(duì)廢水脫色率的影響見圖3。由圖3可見:隨催化劑加入量的增大,廢水脫色率明顯提高;而當(dāng)催化劑加入量達(dá)到500 mg/L時(shí),脫色率開始趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)椋?dāng)催化劑加入量較少時(shí),產(chǎn)生的·OH不足以有效降解有機(jī)物;但若加入量太大,則易產(chǎn)生過多的Fe2+,反而使·OH濃度降低,導(dǎo)致脫色率下降,且易產(chǎn)生二次污染。綜合考慮,選擇催化劑加入量為500 mg/L。
圖3 催化劑加入量對(duì)廢水脫色率的影響
在n(Pr)∶n(Fe)=1∶5、初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度為30 mg/L、催化劑加入量為500 mg/L、廢水pH為7的條件下,H2O2加入量對(duì)廢水脫色率的影響見圖4。由圖4可見:當(dāng)H2O2加入量較低時(shí),產(chǎn)生的·OH太少,有機(jī)物不能充分的降解,致使廢水脫色率較低;當(dāng)H2O2加入量較高時(shí),產(chǎn)生的·OH又被其他反應(yīng)消耗掉了,導(dǎo)致廢水脫色率出現(xiàn)下降趨勢。因此,選擇H2O2加入量為40 m L/L。
在n(Pr)∶n(Fe)=1∶5、初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度為30 mg/L、催化劑加入量為500 mg/L、H2O2加入量為40 m L/L的條件下,廢水pH對(duì)廢水脫色率的影響見圖5。由圖5可見:當(dāng)pH在酸性范圍內(nèi)時(shí),廢水脫色率較高;pH=3時(shí),廢水脫色率最高,反應(yīng)50 m in時(shí)可達(dá)到92.78%;相反,pH為堿性時(shí),過量的OH-會(huì)與金屬離子反應(yīng)生成沉淀,從而破壞類Fenton體系,不利于有機(jī)物的降解,導(dǎo)致廢水脫色率降低。因此,選擇廢水pH為3。
圖4 H2O2加入量對(duì)廢水脫色率的影響
圖5 廢水pH對(duì)廢水脫色率的影響
a)采用共沉淀法,引入稀土元素Pr,制得雙金屬氧化物催化劑Fe2-xPrxO3,在很大程度上提高了類Fenton反應(yīng)的效率,廢水脫色率得到顯著提高,對(duì)反應(yīng)體系的pH的適用范圍較寬。
b)稀土元素Pr輔助的類Fenton試劑氧化法處理廢水的最佳工藝條件為:催化劑中n(Pr)∶n(Fe)=1∶5,初始靛藍(lán)質(zhì)量濃度30 mg/L,催化劑加入量500 mg/L,H2O2加入量40 m L/L,廢水pH 3。在此條件下,反應(yīng)50 min時(shí)廢水脫色率可達(dá)到92.78%。
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