铁碳微电解处理水中碱性嫩黄O的研究

(合肥工业大学 安徽 合肥 230009)

一、概述

水是人类生活和生产活动中不可缺少的宝贵资源，随着人类社会用水量的大幅度增加，水资源量短缺现象十分严重，水资源供需矛盾日益突出。目前全世界有很多国家都存在着严重的水资源危机，我国就是一个水资源匮乏的国家。染料是指直接或通过某些媒介物质和纤维发生物理或化学反应而将纤维或其他基质染成一定颜色的有机物。染料机理简单说来是先将染料制成水溶液、有机溶液、悬浮液等染液，当染液对纤维进行染色时，染料分子通过吸附、扩散以及一系列其它化学或物理化学的作用，从染液转移到纤维等被染物上，使其着色。按照染料的应用性质可以将染料分为直接染料、酸性染料、阳离子染料、活性染料、分散染料、硫化染料和缩聚染料等。碱性染料主要应用于腈纶染色，具有色泽鲜艳，色谱齐全，染色牢度较高的优点，是最早合成的一类染料，因其在水中溶解后带阳电荷，故又称阳离子染料[1]。染料废水具有高浓度、高色度、高pH、难降解、多变化等特点[2]。是世界范围内难处理的工业废水之一。目前，世界上染料的种类有2000多种。我国是世界染料产量第一大国，2016年我国总共生产了92.8万吨染料，占世界染料总产量的70%以上[3]。染料废水的处理一直是我国污水处理关注的热点和难点，特别是含有机染料(如碱性嫩黄O)污水具有分布面广、水量大、色度高、高COD、水质变化大、有机毒物含量高、可生化性差、成分复杂以及难降解等特点，是我国水环境中主要污染物之一。

铁碳微电解技术是以提高废水的可生化性为主要目的的有机废水预处理工艺。铁碳微电解法又叫内电解法，主要利用金属与惰性碳形成原电池还原降解污染物。铁炭内电解法是基于化学原理，将两种具有不同电极电位的金属或金属和非金属直接接触在一起，浸没在传导性的电解质溶液中，形成原电池，利用其周围形成的电场效应，使溶液中的胶体粒子向相反电荷的电极移动,进行凝聚并沉积到电极上，同时电极反应生成的产物能与溶液中的许多物质起化学反应，达到去除污染物的目的[4]。具有适用范围广、成本低廉、处理效果好、材料简便易得、占地面积小、装置易于定型和工业化等优点。染料废水中的有机组分大多以芳烃及杂环化合物为母体，并带有显色基团(如-N=N-，-N=0)及极性基团(如-S03Na、-OH、-NH2)[5]。铁碳微电解工艺可以有效地降解这些多环芳烃类物质，将它们分解为容易被微生物所利用和吸收的有机物。另外，由于利用焦炭、废铁屑等为原料，该技术的电力消耗量小，具有“以废治废”的实际意义[6]。

二、染料性质

碱性嫩黄O分子结构式如下：

图1 碱性嫩黄O分子结构式

物化性质[7]：碱性嫩黄O(Auramine O)黄色粉末，分子量为303.83，分子式为C17H22ClN3，溶于冷水，易溶于热水为艳黄色，在沸腾的水中分解，溶于乙醇为黄色，在浓硫酸中无色，稀释后变为淡黄色，在浓硝酸中呈橙色，在水溶液中加盐酸转成深黄色，加热至沸即无色，在蚕丝纤维上呈艳黄色，在钨丝灯下较红。

用途：用于蚕丝，腈纶，单宁媒染棉的染色，也可以用于皮革，纸张，麻和黏胶的染色，直接印花和底色拨染印花，还可以用于油，脂肪和涂料的着色，也可以用于制备色淀用于油墨。

本文研究了铁碳微电解法处理碱性嫩黄O染料废水的反应机理，并进行单因素实验，探究废水初始pH值、铁屑投加量、铁碳质量比以及反应时间四个主要因素对微电解反应降解碱性嫩黄O的效果的影响，并确定反应的最佳条件。

三、实验部分

(一)实验试剂和仪器

本实验所用药品主要有：铁屑、活性炭、盐酸、氢氧化钠、碱性嫩黄O(C17H22ClN3)、精密pH试纸。

实验所用主要仪器的型号及生产厂家见表1。

表1 实验仪器

(二)实验材料的预处理

铁屑：由于铁的表面容易在空气中氧化形成氧化层,所以在使用前需要活化。将其浸泡在5%NaOH溶液中lO分钟，以除去铁屑表面的油分，而后用蒸馏水洗净备用。使用时先用10%的稀H2SO4浸泡10min，除掉表面的氧化物，用清水冲洗干净后待用，剩余铸铁屑盛于烧杯中用水浸泡，防止铁屑生锈。

活性炭：为了减少活性炭的吸附作用对本实验的干扰，需在实验前对活性炭进行预处理。将活性炭用蒸馏水冲洗干净后放入染料废水中浸泡24小时，使活性炭与废水充分接触，达到吸附饱和，尽量减少活性炭吸附的干扰。然后晾干备用。

实验水样的配置：考虑到实际生产中染料废水成分复杂，实验结果会受到其它有机成分的干扰，影响理论上的降解效果，不便于实验的探索研究。所以本实验选用实验室自配的染料废水，成分单一，杂质较少，有助于降解产物的分析和降解历程的探讨。称取1g染料溶于1L蒸馏水中，配成浓度为1000mg/L的染料废水。

(三)脱色率的测定

1.碱性嫩黄O的标准曲线

用紫外—可见吸收光谱仪对1000mg/L的染料标准储备液进行扫描，测得碱性嫩黄O的最大吸收波长为430nm，用分光光度计在最大可见吸收波长430nm处测定其吸光度，以染料浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制吸光度—浓度曲线。图2为碱性嫩黄O吸光度—浓度曲线。碱性嫩黄O的标准曲线为：y=0.1001x+0.0127，R2=0.9998，在0～9mg/L浓度范围内线性关系良好。

图2 碱性嫩黄O含量标准曲线

2.碱性嫩黄O的脱色率

由图2知，在0～9mg/L浓度范围内，C与A呈现良好的线性关系。测定吸光度值，通过计算可以获得染料的脱色率：

式中：A0—处理前水样在最大吸收波长处的吸光度；

A—处理后水样在最大吸收波长处的吸光度；

C0—处理前废水中碱性嫩黄O含量，mg/L；

C—处理前废水中碱性嫩黄O含量，mg/L。

四、结果与讨论

(一)pH对脱色率的影响

取7个500mL烧杯，分别加入300mL配制好的碱性嫩黄O染料废水，加入4g铁屑及4g活性碳，然后将每组水样的pH值分别调至1，2，3，4，5，6，7，并用搅拌器以200r/min的转速搅拌。搅拌时间为120分钟，搅拌结束后取下烧杯，把水样的pH值调到弱碱性后静置沉降。沉降后的上清液用中速滤纸过滤，然后分别测定处理后水样的脱色率。实验结果如图3所示。

图3 pH值对脱色率的影响

由图3可以看出，当pH<3时，脱色率随pH值的增加而升高，当pH>3时，脱色率随pH值的增加而降低。这是因为当pH值较低时，氧的电极电位较高，微电解的电位差变大，从而促进电极反应。

(二)铁屑投加量对脱色率的影响

取7个500mL烧杯，分别加入300mL配制好的碱性嫩黄O染料废水，调节pH为3，定量投加活性碳4g后，依次向每组水样中投加3、3.5、4、4.5、5、5.5、6g铁屑。并用搅拌器以200r/min的转速搅拌。搅拌时间为120分钟，搅拌后取下烧杯，将水样的pH值调到弱碱性后静置沉降。取沉降后的上清液过滤，然后分别测定处理后水样的脱色率。实验结果如图4所示。

图4 铁屑投加量对脱色率的影响

由图4可以看出，碱性嫩黄O染料的脱色率随铁屑投加量的增大而先增大后减小。当铁屑的投加量为5g时脱色率达到最大值。当铁屑和活性碳在与染料进行反应时，经过充分搅拌之后形成的无数“微电池”使铁发生快速氧化，从而在铁屑表面形成铁的氧化物，使铁屑表面处于活化状态并参与染料脱色。当铁屑投加量小于5g时，由于铁的加入量不足，使铁碳微电池数量很少，处理效果不好；在铁屑投加量大于5.0g时，虽然铁量增大了，但铁碳颗粒之间相互发生堆积，使铁碳电极的有效面积减少，从而间接地减少了铁碳微电池的数量，影响处理效果。

(三)铁碳质量比对脱色率的影响

取6个500mL烧杯，分别加入300mL配制好的碱性嫩黄O染料废水，调节pH值为3，向废水中分别加入5g铁屑，控制铁碳比为1：0.7、1：0.8、1：0.9、1：1.0、1：1.1、1：1.2，即改变活性碳的加入量为3.5、4、4.5、5、5.5、6g。并用搅拌器以200r/min的转速搅拌。搅拌时间为120分钟，搅拌后取下烧杯，将水样的pH值调到弱碱性后静置沉降。取沉降后的上清液过滤，然后分别测定处理后水样的脱色率。实验结果图5所示。

图5 活性炭投加量对脱色率的影响

由图5可以看出，固定铁屑投加量为5g，改变投加铁碳比，碱性嫩黄O染料的脱色率随活性碳投加量的增加先增加后降低。当活性炭投加量为4g，即铁碳比为1:0.8时，脱色率达到最大，为69.75%。铁屑和活性碳分别构成原电池的阴极和阳极。在配比合理，且混合均匀的条件下，两者有较大的有效接触面积，会形成数目较多的原电池，可以有效分解难降解的有机物。如果铁碳配比不合理，过大或过小都不能完全氧化分解废水中的难降解的有机物。当碳的投加量过少时，原电池数量不够，导致去除率下降；碳的投加量过大反而会抑制原电池的反应，从而导致去除率也跟着下降。

(四)反应时间对脱色率的影响

取6个500mL烧杯，分别加入300mL配制好的碱性嫩黄O染料废水，调节pH值为3，再向模拟水样中分别加入5g铁屑，控制铁碳比为1：0.8。并用搅拌器以200r/min的转速搅拌，控制反应时间分别为30min、60min、90min、120min、150min、180min。搅拌后将烧杯取下，调节水样的pH值为弱碱性后静置沉降，取沉降后的上清液过滤，然后分别测定处理后水样的脱色率。实验结果图6所示。

图6 反应时间对脱色率的影响

从图6可以看出，脱色率随着反应时间的增加而先增加后趋于稳定，在120min后基本保持不变。脱色率的增高，一方面是由于反应刚开始时碳粒对染料的吸附作用导致的；另一方面是由于铁碳微电解反应的主要作用是氧化还原反应和电极附集作用。反应120min后，染料的脱色变化很小，趋于稳定，这是因为随着反应时间的增加，电极被有机物质包裹，并且铁电极由于被氧化而发生了钝化，使得铁碳反应受阻，所以处理效果不再明显，反应已基本处于平衡状态。所以铁碳最佳反应时间为120min。

五、结论

碱性嫩黄O染料废水的最佳反应条件为：pH值为3，铁屑投加量为5g，铁碳质量比为1：0.8，反应时间为120min。最佳反应条件下处理的废水的脱色率为70.8%。

【参考文献】

[1]高兴的加菲.染料行业记录[EB/OL].https://xueqiu.com/8489104454/26258477？page=9,2013.11.25.

[2]Breen C,Waston R.Polycation-exchanged Claysas sorbents for organic pollutants:influence of layer.change on pollutant sorption capacity[J].Journal of Colloid and lnterface Science,1998,208(2):422-429.

[3]韩永奇.2013年中国染料发展趋势之一二三[J].染整技术,2013.11.01.

[4]詹燕.铁屑内电解法对苎麻废水的预处理研究[D].重庆:重庆大学,2002.05.01.

[5]杨少斌,杜国银,金文.冷冻法及其在废水处理中的应用[J].中国科技成果,2013.11.01.

[6]邝博文.铁碳微电解-Fenton组合工艺预处理头孢菌素废水试验研究[D].广州：广州大学,2013.06.01.

[7]杨新玮，罗钰言，肖刚，何岩彬.化工产品手册·染料[M].第四版.北京：化学工业出版社,2005：219.