改性活性碳纤维电芬顿降解活性艳红X-3B

周彩霞，尚秀丽

(兰州石化职业技术学院 石油化学工程系，甘肃 兰州 730060)

改性活性碳纤维电芬顿降解活性艳红X-3B

周彩霞，尚秀丽*

(兰州石化职业技术学院石油化学工程系，甘肃兰州730060)

以石墨为阳极,改性活性炭纤维(ACF)为阴极, 采用电芬顿法降解活性艳红X-3B染料废水模拟废水。研究了Fe2+浓度、pH值、电流密度对染料脱色率的影响，结果表明：阴极电芬顿法对活性艳红X-3B染料废水具有有较高的去除率,在最佳反应条件Fe2+投加量为1mmol/L , pH值为3.0，电流密度为7.5mA/cm2，反应时间为60min时，染料的脱色率可以达到97.6%。

电芬顿；活性炭纤维； 偶氮染料；活性艳红X-3B

随着纺织工业的迅速发展, 印染废水已经成为水系环境污染的重要来源。目前，超过50%的染料是包含氮氮双键的偶氮染料[1]，然而，偶氮染料废水具有毒性、致癌性等特点，如果不经过处理直接排放，会对人体和水生生物造成严重的危害[2]。活性艳红X-3B是偶氮染料中具有代表性的一种，它广泛用于棉、涤棉和涤棉混纺织物的染色[3]。传统的污水处理方法不能完全降解废水中的有机污染物且产生大量的污泥,造成二次污染[4]。电芬顿法是目前研究较广泛的一种高级氧化技术[5-6]。与传统芬顿法相比，电芬顿氧化法的优点是原位产生H2O2，避免运输和存储风险，提供更安全的操作环境[7]。ACF具有比表面积大，微孔丰富，能有效吸附有机物和阴阳离子等特点，是一种比较理想的阴极电极材料[8]。本文以改性活性碳纤维为阴极，采用电芬顿法降解活性艳红x-3B模拟废水，研究了Fe2+投加量、pH值、电流密度等反应条件对染料脱色率和溶液COD的影响。

1 试验材料和方法

1.1 仪器与试剂

活性艳红X-3B，工业级，上海佳英化工有限公司；活性碳纤维(ACF)，由江苏苏通碳纤维有限公司提供；其他试剂均为分析纯，购于天津大茂化学试剂厂。

COD 快速测定仪(连华5B-3B(V8) 多参数水质测定仪)，岛津UV-1800紫外-可见分光光度计，用于检测活性艳红X-3B的浓度。

1.2 活性碳纤维的改性[8]

将AFC先用蒸馏水洗涤、浸泡、烘干后备用。用10mL浓度为8.5mol/L的H3PO4溶液在60℃的恒温水浴中加热6h,取出后水洗至中性，放入105℃的烘箱中干燥10h。

1.3 反应装置及实验过程

以石墨为阳极、饱和甘汞电极为参比电极、改性活性碳纤维为阴极；其实验装置如图1所示。以0.05mol/L的Na2SO4作为支持电解质，取200mg/L的活性艳红X-3B模拟染料废水400mL，调节溶液的pH值，并在阴极以一定的速率通入空气，通电时阴极将产生过氧化氢(H2O2)，如反应(1)所示[9]。

(1)

在电解反应过程中, 向反应体系投加一定量的Fe2SO4, 溶液中亚铁离子(Fe2+)与过氧化氢反应生成强氧化剂羟基自由基(·OH)，同时得到Fe3+, 如反应(2)所示[10]。

(2)

(·OH)与废水中的有机污染物如溶解性活性染料反应, 使其氧化分解为二氧化碳、水和无机离子，如反应(3)。

(3)

1.恒电位仪;2. 搅拌器;3.电解池;4.空气泵;5.曝气头;6.辅助电极;7.工作电极;8.参比电极

1.4 分析方法

采用紫外-可见分光光度计测定溶液在538nm处的吸光度值来计算活性艳红X-3B溶液的脱色率，计算公式如式(4)：

脱色率=(1-At/A0) ×100%

(4)

式中：A0为初始吸光度，At为在反应t时间的吸光度。

用COD 快速测定仪测定溶液的CODCr，COD去除率的计算公式如式(5)：

COD去除率=(1-CODt/COD0)×100%

(5)

式中COD0和CODt分别表示染料废水初始的COD值和反应t时刻的COD值。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对活性艳红X-3B脱色率和COD的影响

以50 mmol/L 的Na2SO4溶液为电解质，将浓度为200mg/L的活性艳红溶液400mL加入到电解池中，再加入0.5mmol/L FeSO4,调节溶液pH值=3，在阴极通入空气电解60 min，实验结果如图2所示。

图2 活性艳红X3B的脱色率和COD 去除率随时间的变化

从图2可以看出，活性艳红的COD去除率和脱色率均随降解时间的延长而增大。在电解50 min时，COD的去除率和脱色率分别达到41.2%和92.6%。随着时间延长，活性艳红的脱色率基本保持不变。同时，我们发现，在同一时间点上， COD去除率明显低于其脱色率，这是因为羟基自由基，首先使染料的发色基团(偶氮键)断裂，导致脱色，而COD的去除则需要破坏其含有的芳香环。

2.2 Fe2+投加量对染料去除效果的影响

图3 Fe2+投加量对活性艳红X-3B溶液脱色率的影响

根据反应方程式(2)，电芬顿反应中Fe2+浓度决定着体系中羟基自由基的数量，对整个反应起决定性的作用。图3为投加不同浓度Fe2+的情况下，活性艳红X-3B模拟染料废水脱色率的变化曲线。从图可以看出，随着反应时间的延长，染料的脱色率不断增大且增大幅度逐渐变小。Fe2+投加量对染料的脱色率变化亦有影响，当Fe2+浓度由0.2mmol/L增加到1mmol/L时,染料脱色率随Fe2+浓度的升高而升高，这说明在阴极电芬顿反应中, Fe2+的催化作用非常明显,可以促进·OH 的产生, 从而使染料的脱色率得到提高。而当Fe2+浓度大于1mmol/L时，染料脱色率随着Fe2+浓度的升高反而下降。这主要是由于体系中Fe2+浓度过高对H2O2的消耗过多,自身被氧化为Fe3+,不利于羟基自由基的产生， 导致染料脱色率降低。

2.3 pH值对染料去除效果的影响

为了考察pH值对染料去除效果的影响，取200mg/L的活性艳红溶液400mL为底物，加入0.5mmol/L FeSO4,调节溶液pH值=2、3、4、7，在室温下电解60 min，染料的脱色率和pH值的变化曲线如图4所示。

图4 pH值对活性艳红X-3B溶液脱色效果的影响

从图4可以看出，随着pH值的升高，染料的脱色率先升高后降低，电芬顿反应在pH值=3时效果最佳，染料的脱色率可以达到97.2%。当溶液中的H+浓度过高时会发生析氢反应。当H+浓度过少时, 阴极生成H2O2的反应不能进行, 同时投加到电解体系中的Fe2+会随着pH值的变化而发生形态的变化，Fe2+氧化成的Fe3+与OH-离子反应生成氢氧化物沉淀而失去催化活性。

3 结论

(1)阴极电芬顿氧化法能够高效地分解活性艳红X-3B结构中偶氮键和萘环，提高废水的可生化性， 该方法在处理难降解废水时，具有快捷、经济、高效的特点，在工程实际中具有很好的推广价值。

(2)以ACF为阴极的电芬顿法处理活性艳红X-3B, 反应的最佳条件为：pH值为3，FeSO4投加量为1mmol/L，反应时间为60min时，染料的最大脱色率为97.6%。

[1] Neamtu M, Siminiceanu I, Yadiler A, et al. Kinetic of decolorization and mineralization of reactive azo dyes in aqueous solution by the UV/H2O2oxidation[J].Dyes and Pigments, 2002, 53(2):93-99.

[2] 何文妍,马红竹,余 婕,等.电Fenton 方法在甲基橙染料废水中的试验研究[J].水处理技术, 2013，39(7)：17-22.

[3] 张先炳,袁佳佳,董文艺,等.芬顿法处理活性艳红X-3B的试验优化及降解规律[J]. 化工学报, 2013, 64(3):1049-1054.

[4] 刘 勇,崔乐乐,王嘉诚,等.过渡金属氧化物修饰石墨毡阴极及电催化氧化性能测试[J].无机化学学报，2016，32(09)：1552-1558.

[5] Nidheesh P V, Gandhimathi R. Trends in electro-Fenton process for water and wastewater treatment: an overview[J]. Desalination,2012, 299:1-15.

[6] 尚秀丽,陈淑芬,甘黎明,等.电芬顿氧化法处理染料废水的研究进展[J].毛纺科技，2015，43(11):35-38.

[7] Drogui P, Elmaleh S, Rumeau M, et al. Oxidising and disinfecting by hydrogen peroxide produced in a two-electrode cell [J]. Water Res., 2001, 35:3235-3241.

[8] 马 楠,田耀金,杨广平,等.改性活性碳纤维电芬顿降解苯酚废水性能研究[J].环境科学, 2014, 35(7):2627-2632.

[9] Anam Asghar, Abdul Aziz Abdul Raman, Wan Mohd Ashri Wan Daud. Advanced oxidation processes for in-situ production of hydrogen peroxide/hydroxyl radical for textile wastewater treatment: a review[J]. Journal of Cleaner Production，2015，87(2) ：826-838.

[10] Idil Arslan-Alaton, Betul Hande Gursoy, Jens-Ejbye Schmidt. Advanced oxidation of acid and reactive dyes: Effect of Fenton treatment on aerobic, anoxic and anaerobic processes[J]. Dyes & Pigments , 2008,78(2):117-130.

[11] 肖 华, 周荣丰. 电芬顿法的研究现状与发展[J].上海环境科学，2004(06):253-256

(本文文献格式：周彩霞，尚秀丽.改性活性碳纤维电芬顿降解活性艳红X-3B[J].山东化工，2017，46(16)：185-187.)

Modification of Activated Carbon Fiber for Electro-Fenton Degradation of Reactive Brilliant Red X-3B

Zhou Caixia, Shang Xiuli*

(Department of Petrochemical Engineering，Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology，Lanzhou 730060，China)

The electro- Fenton degradation was designed to treat the reactive brilliant red X-3B simulated wastewater with the graphite as anode and activated carbon fiber as cathode. The effect of the concentration of Fe2+, pH and current density for the decolorization rate of dye was examined. The results shows that it has a higher removal rate of the reactive brilliant red X-3B wastewater by cathode electro-Fenton method . The largest decolorization rate of dye can reach 97.6 % under the optimized conditions , when the dosage of Fe2+is 1mmol/ L, pH=3 and current density 7. 5mA/cm2.

electro-Fenton; activeted carbon fiber；azo dyes; reactive brilliant red X-3B

X703

：A

：1008-021X(2017)16-0185-03

2017-06-04

甘肃省高等学校科学研究项目(2015B-150)；甘肃省高等学校科研项目(2015A-183)

周彩霞(1965—)，女，甘肃 兰州，讲师， 主要从事无机材料的开发与应用。