电化学方法处理粒子元青染料废水的研究

王晓盈 陈淑婷 王枷楠 杨富国

佛山科学技术学院环境与化学工程学院 广东佛山 528000

随着工业化进程的加快,水污染问题已成为各国政府和研究人员普遍关注的问题。含染料废水是主要的环境问题之一,由于染料废水含有毒或有害化学成分较多,有的难降解,有的色度高,是工业废水回收再循环利用研究的难题,大量的工业(纺织、造纸或纸浆、食品、皮革)会产生含染料和悬浮颗粒等的废水,且有些染料难以被微生物降解,对人类、水生生物和微生物有毒,其中许多具有致癌性、致畸性、诱变性。目前,染料废水的处理有物理法、化学法、生物化学法,化学法包括:化学混凝法、电化学氧化法、高级氧化法等[1-4],电化学氧化法具有结构简单、降解效率高、无毒害成分形成等优点。光电催化技术被认为是满足日益增长的能源需求和提供有效的废水处理的一种很有前途的高级氧化水处理技术,它通过协同效应,使电化学氧化法与光催化氧化法有机结合,半导体光催化剂的光催化活性有效得到提高,并明显地阻止了光生电子空穴对的复合,可以高效氧化降解有机污染物。它不仅可解决电化学氧化中经常出现的电极钝化现象,也克服了粉体光催化剂需后续分离的问题。

目前我国染料产量位居世界第一,世界染料总产量的六成在中国生产。同时,染料生产过程中,耗能高、污染大。据统计,在我国染料行业,废水排放量大约是744m3/吨染料,染料中的10%～20%,在使用和生产过程中,被排入水体中。假如按我国染料生产总量计算,仅在2021年一年,随废水直接进入水体环境的染料,就有10万～20万吨。染料生产过程中,由于金属、盐类与联苯胺类化合物、苯胺、蒽醌及苯系等物质螯合,产生的废水大多含金属离子和盐,显酸性或碱性,有的含氯化物或溴化物,染料废水色度高、化学需氧量也高,是目前最难处理的有机废水之一。我国水环境安全受到威胁的重要原因之一,是大量染料废水,排入我国水体环境。

目前,处理染料废水的常用方法有膜过滤法、化学法、生物法及物理吸附法,在这4种方法中,较为传统的方法是物理吸附法,是指气体或液体(流体)混合物中一种或多种组分,被吸附剂(一般是多孔固体)积聚或凝缩在其表面,进而达到分离的方法。常规的物理吸附法优点是可回收,缺点是处理效率较低,因此,如何提高其吸附效率是亟待解决的问题。

针对上述的技术问题,仇勇[5]提供一种用于染料废水处理的吸附材料及其制备方法,采用静电纺丝法制备的纺丝膜具有独特的网状结构和互相连通的孔道,首先在纺丝膜的表面,吸附染料分子,染料分子再进入纺丝膜的孔道内,主要依靠扩散作用,同时,因为纺丝膜有很高的孔隙率、比表面积巨大,可以大量提供与染料分子相互作用的吸附活性点位,使得纺丝膜对染料分子的吸附容量更高。

染料废水是一种很难进行降解处理的废水,因为其成分复杂、含有机物种类多。在印染过程中,酸、碱、无机盐及染料等被大量使用,特别是染料,分子中含有极性基团、显色基团等,结构也特别复杂,不易被降解,生物处理性也很差。假如在染料废水中,含有一些萘、酚类物质,毒性就会增加,尽管通过各种处理手段,在废水中还会残留这些污染物。排出的染料废水对人们的健康有危害,因为其含有大量的有毒有害化合物,水质也十分复杂,对大自然的生物生长也会造成不利影响,属于有毒有害的有机污染物。

染料废水具有吸光性,会使水的清澈度降低,水变得浑浊不清,降低了水生物的生存功能,伤害了水中的生物,对生态环境会带来一定的影响。所以,染料废水对人类、环境及自然生物都产生了一定的危害[6]。

大量的合成染料在纺织、皮革、造纸、塑料和橡胶等行业中用于产品着色,但实际的染色过程中仅有部分染料被有效利用,剩余部分则残存于水中。此外,以氯化钠和硫酸钠为代表的无机盐常作为染色助剂加入,以增强织物对染料的吸收而提高上染率,这样即产生大量富含染料的高盐度废水。

未经合理处置的此类废水直接排放,不仅是对水资源、有价值染料和无机盐的浪费,而且还将严重威胁环境与人体健康。传统的印染废水处理方法主要有吸附、高级氧化、混凝/絮凝及生物降解等,但这些方法主要用于废水中染料的去除,无法实现有价资源的回收[7]。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置如图1所示。实验采用的水样,为自配的粒子元青染料溶液,体积为500mL,电解阳极、阴极都采用Ti网,电解槽采用玻璃烧杯,槽中极板固定间距50mm。

图1 实验装置

1.2 仪器与材料

1.2.1 实验材料

粒子元青(原染料,天津市亚东化工有限公司);氯化钠(分析纯,佛山西陇化工有限公司);电解阳极、阴极(Ti网,创良科技有限公司)。

1.2.2 实验仪器

紫外可见分光光度计(TU-1810型,北京普析通用仪器有限责任公司),直流稳压电源(TPR-1510型,创良科技有限公司),恒温磁力搅拌器(85-2型,巩义市予华仪器有限责任公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 染料废水的配制

用称量纸称取粒子元青25mg,放入烧杯中,加水溶解,准确称取电解质氯化钠,搅拌溶解后,用水定容至1L容量瓶中。

1.3.2 实验过程

准确量取500mL粒子元青染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。调节好电解电源的电流,在不同的电解时间取样,脱色率的测定方法为:实验前,用可见分光光度计测定波长566nm处的吸光度(以下简称Abs),t时间时,同样在波长566nm处测量废水的Abs,染料脱色率计算公式为:

式中,A0为初始染料吸光度,At为t时间的染料吸光度。

2 结果与讨论

2.1 电解时间的影响

准确量取500mL粒子元青染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。电流密度为2.5A/dm2,电解质浓度为25.0g/L条件下,实验结果如图2所示。

图2 电解时间对色度的影响

粒子元青染料废水的吸光度随电解时间的变化曲线如图2所示。从图中可以看出,粒子元青染料废水的吸光度情况:0到10分钟内,染料废水的吸光度由原来的0.666降为0.339,通过公式计算,降解率为49.10%;10到20分钟内,染料废水的吸光度由0.339降为0.204,降解率为69.37%;20到30分钟内,染料废水的吸光度由0.204降为0.177,降解率为73.42%;30到40分钟内,染料废水的吸光度由0.177降为0.155,降解率为77.33%,降解率从73.42%升高到77.33%,这一时间段为色度的缓慢去除阶段。

2.2 电解质浓度的影响

准确量取500mL粒子元青染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。电流密度为2.5A/dm2,添加电解质浓度分别为15.0g/L、20.0g/L、25.0g/L条件下,实验结果如图3所示。

图3 NaCi浓度的影响

随着电解的进行,吸光度的变化如图3所示。由图3可见,随着电解质浓度由15.0g/L、20.0g/L,增加到25.0g/L,粒子元青染料废水的吸光度逐渐减小,降解率增加显著。在粒子元青染料废水的浓度不变,电流密度不变,电解质浓度不同的条件下,电解质的浓度越高,粒子元青染料废水的吸光度越小,降解率越大。电解质浓度为15.0g/L,电解40分钟时,吸光度为0.278,降解率为58.26%;电解质浓度为20.0g/L,电解40分钟时,吸光度为0.253,降解率为62.01%;电解质浓度为25.0g/L,电解40分钟时,吸光度为0.151,降解率为77.33%。

2.3 电流密度的影响

准确量取500mL粒子元青染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。在电解质浓度为25.0g/L,电流密度分别为2.5A/dm2、3.0A/dm2条件下,实验结果如图4所示。

图4 电流密度对降解率的影响

随着电解的进行,粒子元青染料废水降解率的变化如图4所示。由图4可见,随着电流密度由2.5A/dm2增加到3.0A/dm2,粒子元青染料废水的吸光度逐渐减小,降解率增加。电解质浓度为25.0g/L,电流密度为2.5A/dm2,电解40分钟时,吸光度为0.151,降解率为77.33%;电解质浓度为25.0g/L,电流密度为3.0A/dm2,电解40分钟时,吸光度为0.143,降解率为78.53%。通过比较,电流密度宜取3.0A/dm2。

2.4 染料初始浓度的影响

准确量取500mL粒子元青染料废水,放入烧杯中,打开磁力搅拌器电源,启动搅拌。在电解质浓度为25.0g/L,电流密度为2.5A/dm2,粒子元青染料浓度分别为25mg/L和50mg/L条件下,实验结果如图5所示。

图5 染料初始浓度对降解率的影响

由图5可以看出,在电解质浓度为25.0g/L,电流密度为2.5A/dm2,粒子元青染料浓度为25mg/L条件下,电解20分钟时,粒子元青染料的降解率为69.37%,粒子元青染料浓度为50mg/L条件下,电解20分钟时,粒子元青染料的降解率为61.81%;粒子元青染料浓度为25mg/L条件下,电解40分钟时,粒子元青染料的降解率为77.33%,粒子元青染料浓度为50mg/L条件下,电解40分钟时,粒子元青染料的降解率为74.66%。

3 结论

(1)在粒子元青染料的浓度不变的条件下,电流密度越大,电解质浓度越高,粒子元青染料的降解率越高。

(2)用电化学方法降解粒子元青染料废水,以钛网分别为阳极、阴极,采用NaCl为电解质,电解40分钟,降解率达最大值。

(3)电化学氧化降解粒子元青染料废水的最佳工艺条件为:进水浓度为25mg/L,电流密度3.0A/dm2,电解质浓度为25.0g/L,电解时间为40min,该条件下粒子元青的降解率为78.53%。