Fe2O3/凹凸棒土催化空气氧化处理印染废水的研究

2010-06-08 07:08冯良东李登好

淮阴工学院学报 2010年3期

周伟，冯良东，李登好

(淮阴工学院生命科学与化学工程学院，江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏淮安 223003)

0 引言

纺织工业会产生各种废水，其中以印染废水污染较为严重，其排放量约占工业废水总排放量的1/10。印染废水中含有大量的有机物，对人类产生很大的毒害作用，多具有致癌、致畸、致突变的“三致”特点，严重威胁到人类生命及健康。印染废水具有较高的色度和化学需氧量，废水成分复杂，主要含有多种染料、颜料及染色助剂，而且这些物质含有较稳定的环状结构，难以用一般的方法进行处理。用于印染废水处理的各种方法都具有自身的优缺点，再加上各个印染厂工艺的差异和印染废水水质的复杂性，单一的一种处理方法很难达到理想的处理效果。在纺织品印染加工中，有10% ～20%的染料作为废物排出。印染废水的色度尤为严重，用一般的生化法难以去除。印染废水的处理除色度外还包括对有机物的去除等多项指标。因此在实际工程中应根据具体的条件和要求，从可行性和经济性两方面出发，进行科学地选择，合理地组合工艺，才能达到理想的效果。目前国内大多采用的是生化为主体的物化-生化组合方式，色度的去除一般以物化为主，有机物的去除则是以生物法为主。CWAO(催化湿式氧化法)是在WAO(湿式氧化法)基础上发展起来的新技术，该方法具有反应条件温和，对反应装置腐蚀不严重，且能有效降解一些高浓度难降解的有机废水等特点，已成为当今废水处理技术研究的一个热点。高效、稳定、价廉的非均相催化剂的研究对CWAO的广泛应用有重要的意义。凹凸棒土是一种天然非金属材料，为晶质水合镁铝硅酸盐矿物，它的外观为灰白色，呈针状结晶，具有独特的层链状结构特征和不同寻常的胶体和吸附性能，价格低廉，资源丰富。本文研究通过浸渍法制备负载型Fe2O3/凹凸棒土催化剂，并研究其在空气作用下降解印染废水的性能。

1 原料与仪器设备

1.1 主要原料

硝酸铁(AR)、凹凸棒土(江苏盱眙)、直接大红染料等。

1.2 主要仪器设备

空气泵ACO-002(浙江森森实业有限公司)、电热恒温鼓风干燥箱DHG-9070A(上海恒科技有限公司)、箱式电阻炉SX2(上海实验仪器厂有限公司)、752N紫外可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)、S-3000N型扫描电镜(日本日立公司)。

2 实验方法

2.1 Fe2O3/凹凸棒土催化剂制备

将载体凹凸棒土用不同浓度的 Fe(NO3)3溶液浸渍12h，然后置干燥箱中于110℃下干燥2h，之后在400℃条件下焙烧3h，制得负载型Fe2O3/凹凸棒土催化剂。

2.2 Fe2O3/凹凸棒土催化空气氧化处理印染废水

称取一定量的Fe2O3/凹凸棒土催化剂置于100mL三口烧瓶中，加入50mL待处理印染废水(直接大红模拟染料废水)，然后用空气泵向三口烧瓶中不间断通入定量的空气，使溶液充分的混合，不断翻滚，同时达到搅拌和通入氧气的目的。静置一段时间，取上层清液，并测其吸光度，计算其脱色率。

2.3 印染废水脱色率的测定

色度用752N紫外可见分光光度计测定，并按下式计算其脱色率。

色度去除率=(原废水的吸光度-处理过的废水吸光度)/原废水的吸光度×100%。

3 结果与讨论

3.1 Fe2O3/凹凸棒土催化空气氧化处理印染废水

3.1.1 不同浓度浸渍液催化剂对脱色率的影响

催化剂中活性组分Fe2O3的负载量直接影响催化效果，为了考察活性组分负载量对催化效果的影响，分别取 0.0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mol/LFe(NO3)3溶液浸渍后得到的催化剂各0.2g，放入三口烧瓶，处理300mg/L的直接大红50ml，pH值控制在6-7之间，通入流量为5L/min的空气，反应时间2小时。然后倒入小烧杯中静置，后取其上层清液测其吸光度计算脱色率。脱色率随浸渍液浓度的变化如图1所示。

图1 浸渍液浓度对脱色率的影响

由图1可见，随着浸渍液浓度的增加催化剂活性也增加。当浸渍液浓度为0.2mol/L时，催化剂对直接大红模拟印染废水的催化活性比较好，脱色率较高，当浸渍液浓度高过0.4mol/L后，催化剂对模拟印染废水的脱色效果开始下降，这可能是由于浸渍液浓度的提高，使得活性成分在载体上的负载量增加后，活性组分颗粒增加，比面积降低所至。虽然并不明显，但是浸渍液的浓度增加加大了催化剂的成本，因此催化剂浸渍液浓度选用0.2mol/L。

3.1.2 催化剂加入量对脱色率的影响

为考察催化剂用量对催化氧化体系效果的影响，分别对不同催化剂投加量下的废水催化氧化反应进行了研究。反应条件:浸渍液浓度为0.2 mol/L 的催化剂 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 g处理300 mg/L的直接大红50 mL，pH值控制在6-7之间，通入流量为5 L/min的空气，反应时间2h。静置后取上层溶液测其吸光度计算脱色率，如图2所示。

图2 催化剂的加入量对脱色率的影响

由图2可知，当不加催化剂通入定量空气的时候，染料的脱色率几乎为零。随着催化剂加入量的增加，直接大红的脱色率迅速升高。显然由于催化剂投加量的增加，增加了催化剂催化作用面积，提高了染料和氧化剂与催化剂活性中心接触的几率，从而使染料降解速度加快。但当催化剂的加入量超过0.2g时，直接大红脱色率增加不是很明显。

3.1.3 反应时间对脱色率的影响

反应条件:用浸渍液浓度为0.2 mol/L的催化剂，加入量为0.2 g，处理300 mg/L的直接大红50 ml，pH值控制在6-7之间，通入流量为5L/min的空气，反应时间分别为 0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，2.5 h，3 h和3.5h时，静置后取上层溶液，测其吸光度计算脱色率。如图3所示。

图3 反应时间对脱色率的影响

由图3可以看出，随着反应时间的增加，染料的脱色率随之升高，在反应时间少于3h时，脱色率随反应时间增大明显，当搅拌时间高于3小时后，染料的脱色率变化已经不明显。

3.1.4 溶液pH值对脱色率的影响

为了考察染料溶液的pH值对Fe2O3/凹凸棒土催化剂催化活性的影响，分别用0.1mol/L NaOH溶液和0.1mol/L HC1溶液将染料废水的pH值调节为2.42，5.1，6.75，8.84 和 11.1，脱色率如图 4所示。反应条件:浸渍液浓度为0.2mol/L的催化剂，催化剂加入量为0.20g处理300mg/L的直接大红50ml，通入流量为5L/min的空气，反应时间2h。测其吸光度，计算其脱色率。

图4 溶液的pH值对脱色效率的影响

由图4可见，溶液的pH值对催化剂的活性有明显影响。染料溶液为酸性时的脱色率明显高于碱性时的脱色率。但是溶液为酸性时对设备的腐蚀比较大，况且酸性的水也不能被环境所接受，也达不到污水排放的标准。因此处理废水时还是在中性的条件下处理比较好。所以pH控制在为6-7之间。

3.1.5 染料初始浓度对脱色率的影响

当直接大红的初始浓度分别为100mg/L，200mg/L，300mg/L，400mg/L和500mg/L 时，反应条件:浸渍液浓度为0.2mol/L的催化剂加入量为0.2g，处理不同浓度的直接大红50ml，pH值控制在6-7之间，通入流量为5L/min的空气，反应时间2h，静置后取上层溶液测其吸光度计算脱色率。如图5所示。