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        K 修飾Cu/AC 催化降解染料廢水的研究

        2020-10-29 01:48:12陳志挺劉岑瑩連鴻斌饒瑞曄曾韋斌
        化工管理 2020年29期
        關(guān)鍵詞:催化劑效率實(shí)驗(yàn)

        陳志挺 劉岑瑩 連鴻斌 饒瑞曄 曾韋斌

        (武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院,福建 武夷山 354300)

        0 引言

        我國紡織行業(yè)排放的廢水量巨大,其中印染廢水組成成分復(fù)雜,水質(zhì)多變,具有高COD,高毒性,難降解等特點(diǎn)。同時印染廢水中含有染整過程中所流入的各種有機(jī)染料、表面活性劑等,大部分成分難以被傳統(tǒng)微生物法降解。若沒有經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放,不僅會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞,而且容易通過動物和植物累計進(jìn)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(xué)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(xù)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(chǎn)生較多的泥渣,同樣需要進(jìn)一步處理。電化學(xué)法具有對環(huán)境溫和,具有不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn),但其過程能耗大等缺點(diǎn)使其尚未得到大范圍的應(yīng)用。生化法為傳統(tǒng)處理方法,具有處理成本低等優(yōu)點(diǎn),但由于染料廢水的復(fù)雜性,常需要物理化學(xué)法進(jìn)行前處理,且對菌種的選育難度較大。

        高級氧化法具有反應(yīng)快速,不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)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(jìn)行影響因素探究。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 催化劑制備

        稱取等量多份(每份60g)的活性炭進(jìn)行預(yù)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?dú)夥諊掠诠苁綘t中280℃煅燒4小時后即得到K 修飾Cu/AC 負(fù)載型催化劑。

        1.2 催化實(shí)驗(yàn)及方法

        實(shí)驗(yàn)中以10mg/L 濃度亞甲基藍(lán)溶液作為反應(yīng)液,雙氧水添加量為0.5%,使用蠕動泵將反應(yīng)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(lán)溶液的脫色率計算如下:

        式中:η為降解率;C0表示為反應(yīng)前亞甲基藍(lán)溶液的濃度;C為反應(yīng)后t 時亞甲基藍(lán)溶液的濃度。

        圖1 不同Cu,K負(fù)載量對催化性能的影響

        2 結(jié)果與討論

        2.1 Cu,K負(fù)載量的影響

        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(jié)果表明,Cu 負(fù)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(xiàn)最佳,4h 反應(yīng)后脫色率仍能保持至75%以上。K 在煅燒后形成氧化物,反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)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(diǎn)[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(yīng)液pH值的影響

        實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diào)節(jié),增加處理成本。當(dāng)pH 小于7時,由于部分Cu 氧化物與酸反應(yīng)流失,脫色效率下降。亞甲基藍(lán)水溶液本身呈弱堿性,故選擇pH 值為7~9作為反應(yīng)合適pH 值。一方面保護(hù)催化劑活性組分穩(wěn)定,另一方面結(jié)合脫色效率與經(jīng)濟(jì)性考慮。

        圖2 不同反應(yīng)液pH對催化性能的影響

        2.3 反應(yīng)溫度的影響

        反應(yīng)溫度影響反應(yīng)速率,溫度較低,反應(yīng)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(shí)驗(yàn)選取不同反應(yīng)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(dá)到95%以上。但當(dāng)溫度繼續(xù)升高,則脫色效率提升不明顯。綜合經(jīng)濟(jì)性考慮,選擇40℃作為最佳反應(yīng)溫度。

        圖3 反應(yīng)溫度對催化性能的影響

        2.4 催化劑穩(wěn)定性能探究

        為考察催化劑在運(yùn)行時的穩(wěn)定性及連續(xù)使用壽命,設(shè)計24h 連續(xù)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。采用自制連續(xù)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,在單因素最優(yōu)的條件下進(jìn)行,每隔一定時間取樣進(jìn)行脫色效率測試。其結(jié)果如圖4所示。

        圖4 24h連續(xù)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)測試

        當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到120~150min,廢水脫色率已經(jīng)達(dá)到了95%以上,之后降解率一直維持95%以上,保持穩(wěn)定,出水水質(zhì)接近透明,且此時出水CODCr去除率也達(dá)到了91.6%以上。結(jié)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(wěn)定性。

        3 結(jié)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(fù)載量,反應(yīng)液pH 值,反應(yīng)溫度對亞甲基藍(lán)模擬廢水的處理情況。結(jié)果表明最佳反應(yīng)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(dá)到95%以上,并且該催化劑具有穩(wěn)定的處理效率。該結(jié)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(diǎn),增強(qiáng)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(jìn)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(yīng)快速,成本低廉,易制得等優(yōu)點(diǎn),但實(shí)際廢水成分復(fù)雜,水量多變,還需對催化劑進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化以適應(yīng)實(shí)際情況,才可有望應(yīng)用于印染廢水處理。

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