Fenton法处理阳离子染料废水试验研究

2018-04-10 05:38:03 青州谭福环保设备有限公司 12

1引言

阳离子染料是一种纺织染料,又称碱性染料和盐基染料,该染料中的阳离子能与织物中第三单体的酸性基团结合而使纤维染色,是腈纶纤维染色的专用染料,随着可染型腈纶制造技术的不断完善, 阳离子染料的应用推广也将不断扩大。阳离子染料水溶性很强,且溶于水中时呈阳离子状态。其生产废水不仅成分复杂,COD浓度、含盐量高,pH低,而且色度高达几万倍至几十万倍,可生化性差,采用传统的处理方法很难达标排放。国内外对阳离子染料废水的研究主要集中在色度的去处方面,具体处理方法有吸附法、膜分离法、氧化法、化学混凝法、电化学法、生物法等。其中氧化法尤其是高级氧化法、Fenton氧化法处理阳离子染料废水具有成本低、操作简单、可调性大、效果明显等多种优点。因此,本实验通过采用Fenton试剂处理阳离子染料结晶紫溶液,分析各影响因子对脱色率的影响和确定最佳实验条件。

2试验部分

2.1试验材料

2.1.1主要仪器

722S分光光度计,pHS.3C型酸度计,BL.200A型电子天平等。

2.1.2药剂

30%过氧化氯溶液,七水硫酸亚铁(分析纯),结晶紫(分析纯),浓硫酸,氢氧化钠(分析纯)。

2.1.3试样水质

常见的阳离子染料有结晶紫、碱性红、亚甲蓝等, 因为实际废水成分太过复杂,不利于试验过程中的机理分析,本研究选取结晶紫水溶液作为模拟阳离子染料废水。结晶紫是三苯甲烷结构,其结构式如图1所示。模拟水样结晶紫的浓度是0.3g/L,最大吸收波长为580nm。

2.2试验方法

2.2.1结晶紫浓度曲线

绘制结晶紫梯度浓度与580nm吸光度值的关系曲线,在以后的试验中,通过测定的吸光度来计算出对应的浓度值,进而算出结晶紫的降解率,评估Fenton试剂的氧化效果。结晶紫的标准曲线如图2所示。

2.2.1单因素试验

影响Fenton试剂氧化作用效果的因素很多,包括环境温度、水样pH、染料浓度、亚铁离子投加浓度、过氧化氢投加浓度、反应时间、双氧水投加方式、搅拌强度等 。本研究在查阅参考相关文献的基础上,确定pH、七水硫酸亚铁投加浓度、过氧化氢投加浓度、反应时间为本次试验的讨论因素,并取100 mL模拟阳离子染料废水进行实验,调节模拟水样的pH,投加一定量七水硫酸亚铁,用玻璃棒搅拌,待其完全溶解,立即用移液管移取一定量的30%双氧水,然后反应并沉淀一段时间,抽取上清液测定其吸光度。

(1)水硫酸亚铁投加浓度单因素变量

固定H202投加浓度为6 ml/L,pH为3,反应时间为70 min,改变FeSO4.7H2O的投加浓度分别为250 mg/L、500 mg/L、1000mg/L、l 500 mg/L、2000 mg/L、2500 mg/L、3000 mg/L。

(2)过氧化氢投加浓度单因素变量

固定FeSO4’7H2O投加浓度为1000mg/L,pH为3,反应时间为70 min,改变H2O2的投加浓度分别为4 ml/L、6 ml/L、10 ml/L、15 ml/L、20 ml/L、30 ml/L、40 ml/L。

(3)pH单因素变量

固定FeSO4-7H2O投加浓度为1000 mg/L,H2O2投加浓度为6mL/L.反应时间为70min,改变初始pH为l、2、3、4、5。

(4)反应时间单因素变量

固定FeSO4.7H2O投加浓度为1000 mg/L,H202投加浓度为6mL/L,pH为3,改变反应时间为15 min、30 min、45 min、50 min、70min、90min。

2.2.2正交试验

正交试验采用 因素三水平,用L9(3 )型正交表进行试验。根据上述单因素试验测定结果,选择相应因素的进行三水平正交试验,测定各组反应后吸光度值。

2.3分析方法

通过分光光度计测定样液在波长580 nm下的吸光度值A,根据所绘制的结晶紫标准曲线换算成对应结晶紫浓度Ct,则结晶紫的降解率如下式计算:

其中:c 一反应前结晶紫浓度;c— — 反应后结晶紫浓度。

3试验结果与讨论

3.1单因素试验结果分析

3.1.1七水合硫酸亚铁投加浓度的影响

FeSO4.7H2O投加浓度对结晶紫降解率如图3所示

由图3可以看出,最佳FeSO4.7H2O投加浓度为1000 mg/L。当FeS04’7H2O投加浓度从250 mg/L到l000 m叽时,随着Fe离子浓度的增加,废水的降解率迅速升高,这说明Fe 离子催化H2O2生成·OH的速度越来越快;当FeSO4’7H2O的投加浓度为1000mg/L时,结晶紫降解率达到最高的99.5%;此后,随着FeSO4.7H2O的投加浓度继续增加, 降解率曲线递减下滑, 从反应式:Fe +·OH=Fe +0H, 可以看出过量的Fe 会消耗大量氧化基团·OH的量。因而,过量FeSO4’7H2O不会增加阳离子染料废水的脱色效果。

3.1.2过氧化氯投加浓度的影响

H2O2投加浓度对结晶紫降解率如图4所示。

由图4可以看出,最佳H2O2的投加浓度为15 mL/L。当H2O2的投加浓度从4 mL/L到15 mL/L时,随着H202浓度的增加,废水的降解率明显升高,这说明在Fe的催化作用下,H2O2的投加浓度的增加有利于产生更多的羟基自由雉:当H2O2的投加浓度为15 mL/L时,结晶紫降解率达到最高的99.7%;此后,随着H202的投加浓度的继续增加,降解率呈现下降的趋势,说明当H2O2浓度过高时,根据反应式:2·OH+H2O2—2 H2O+O2,过多的H2O2

破坏大量生成的·OH自由基,这也造成H202自身的无效分解;此外,根据反应式:Fe +H2O2一·OH+OH一+Fe ,过多的H2O2也会将Fe 氧化成Fe 的同时,而使氧化反应在Fe 的催化下进行,降低了·OH 自由基的产生效率。

3.1.3水质初始pH的影响

pH对结晶紫降解率如图5所示。

由图5可以看出,最佳初始pH=3。当pH小于3时,降解率随pH 的升高而升高。这说明溶液中的H 浓度过高,反应Fe +H2O2一Fez++HO2’+H ,将受抑制,生成的Fe 不能顺利地被还原为Fe ,催化反应受阻;当pH=3时,降解率达到最高的99.4%;当pH大于3后,降解率随pH的升高而逐渐降低,这说明Fenton试剂是在酸性条件下发生作用,在中性和碱性条件下,pH升高抑制了·OH的产生;当水样pH过高时,Fe 会以氢氧化物的形式发生沉淀而失去催化能力;另外,随着pH 的升高,H2O2的稳定性下降,高pH会造成H2O2的自身氧化分解。

3.1.4 反应时间的影响

反应时间对结晶紫降解率如图6所示。

由图6可以看出,在本试验所测定的时间范围内,结晶紫降解率一直随时间的延长而不断升高。在l5 min到50 min时间段里,降解率升高迅速,从98%跃升到99.5%。在50min到70min时间段里,降解率升高的速度开始逐渐减慢。当反应时间达到70min时, 降解率达到99.8%。在70 min之后,随着时间的增长,降解率增长速度变得十分缓慢,基本变化不大。所以结合试验效果和成本考虑,最佳的反应时间为70 min。

3.2正交试验分析

经过前面的单因素试验,已经初步确定了Fenton试剂氧化处理模拟印染废水的影响条件,为了得到最佳的组合,并进一步分析各影响因素对水样处理影响的强弱, 设计了四因素三水平的正交试验,试验的模拟废水量均为100 mL。试验设计及结果如表1所示。

由表1可得出,Fenton试剂的使用对模拟印染废水色度的去除效果显著,水样结晶紫降解率达98%以上。由RA>RD>RB>RC可知,影响因素的主次为FeSO4”7H2O投加浓度>反应时间>H2O2投加浓度>初始pH。正交得出的最佳试验条件为:FeSO4.7H20投加浓度为l000 mg/L,H2O2投加浓度为l5 ml/L,初始pH为5,反应时间为90min。

4 结论

(1)Fenton试剂氧化降解阳离子染料的效果十分明显,水样中染料的降解率达到98%以上;

(2)通过单因素影响试验和正交试验,以结晶紫降解率为考察指标,综合处理效果和成本各因素,确定模拟废水的最佳处理条件是:FeSO4.7H20投加浓度为1000 mg/L,H2O2投加浓度为l5ml/L,初始pH为5,反应时间为90min;

(3)由于阳离子染料分子含有复杂的芳香基团和偶氮键,难以被传统单一的生物处理方法降解。因此,实际生产中,我们可以优化Fenmn氧化与生物降解组合处理阳离子染料废水,尽可能高效发挥羟基自由基的氧化与微生物降解作用,低成本解决阳离子染料废水污染难题。