零价铁催化过硫酸盐高级氧化工艺高效降解印染废水

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近年来随着我国工业生产的快速发展,工业用水量不断提高,因而所产生的废水量也在不断增加。众多的工业生产中,纺织业尤其是其中的印染环节产生的印染废水在工业废水中占据很大的比重,是工业废水的主要来源之一。印染废水具有出水量大,水质复杂多变,难降解有机物含量高以及可生化性差等特点,常规生化处理后废水中仍旧含有一定的色度、未降解的有机物,因此印染废水的回用率较低,成为水污染治理的难点。过硫酸盐高级氧化技术作为一种新兴的污染物处理技术已经被广泛用于处理各种环境污染。热、紫外、超声、过渡金属等均可作为催化剂来催化过硫酸盐降解污染物。颗粒零价铁催化过硫酸盐氧化技术被认为是一种能够有效去除多种有机污染物的多相氧化技术,且与传统的过渡金属离子催化过硫酸盐均相氧化技术相比具有价格低廉、应用pH范围广、催化剂可回收再利用等优势。废弃工业颗粒零价铁由于表面已经被腐蚀,在一定程度会影响催化效果,因此采用废弃工业颗粒零价铁作为催化剂来催化过硫酸盐降解印染废水方面的研究相对较少。本论文以实验室模拟印染废水和实际印染废水为研究对象,以废弃工业颗粒零价铁催化过硫酸盐(PS/Fe0)高级氧化工艺为处理手段,首先研究了PS/Fe0工艺对单染料模拟废水和混合染料模拟废水的处理效果以及影响因素。在此基础上,进一步研究了碳酸盐、氯离子、螯合剂和助染剂的存在对PS/Fe0降解印染废水的效果及中间产物的影响。最后,对PS/Fe0工艺对实际印染废水的处理效果以及影响因素进行了研究。在对PS/Fe0工艺处理单染料(多偶氮直接红染料Sirius?Red F3B,SRF3B,直接红80)模拟废水的效果进行研究后发现,PS/Fe0氧化工艺能够有效降解SRF3B,且降解效果受溶液初始p H值、温度、PS浓度和零价铁质量的影响。低PS浓度会抑制降解效果,且在降解过程中产生了两阶段反应模式即发生在零价铁表面的慢速非均相反应和反应溶液中的快速均相反应。两个阶段分别遵循零级和改进的伪一级反应动力学方程。10 min内PS/Fe0工艺可将25 mg/L的SRF3B的4个偶氮键全部破坏,降解效率达95%。反应过程中的零价铁可以回收再利用并保持良好的催化性能。通过GC-MS分析了在PS/Fe0氧化过程中SRF3B的降解中间产物并给出其可能的降解途径。PS/Fe0在降解SRF3B的过程中所需的活化能为0.636 k J/mol,说明其降解过程是一个快速反应过程。在研究发现PS/Fe0氧化工艺能够快速有效的降解单染料模拟废水后,我们进一步对PS/Fe0工艺对由三种三原色染料(Sirius?Gelb S-2G(直接黄142)、Sirius?Red F3B(直接红80)、和Sirius?Turkis GL01(直接蓝86))组成的混合染料模拟废水的处理效果进行了研究。结果表明PS/Fe0工艺对染料废水的处理效果受染料分子结构的复杂性和实验过程中的运行参数影响。增加反应过程中的PS浓度和Fe0含量能够有效提高PS/Fe0工艺对混合染料的降解效率。当溶液的初始pH<10.0时,PS/Fe0能够对染料进行快速降解,且所有的实验数据均遵循伪一级反应动力学方程。而当溶液初始p H值较高(>10.5)或反应过程中PS浓度较低(<2×10-3 M)时,降解过程呈慢速多相反应。当溶液中含有1×10-2 M的Na2SO4、Na Cl、Na2CO3或Na2HPO4时会对混合染料模拟废水的降解效果起抑制作用,这种抑制作用可以通过提高溶液的温度至55o C而减轻。在PS 5×10-3 M,Fe00.5 g/L,pH 6.0的条件下,PS/Fe0/55o C工艺10 min内即可对混合染料模拟废水(ADMI值为15103)的色度几乎完全去除,同时溶液中的染料分子也被全部降解为有机酸等小分子中间产物。由于在实际印染废水中除染料外还含有其它如碳酸盐、氯离子、螯合剂(柠檬酸钠、EDTA二钠、草酸钠)、印染助剂(卵磷脂(新型纺织整理剂)、聚丙烯酸钠(分散剂)、氯化十六烷基吡啶(固色剂))等物质,这些物质的存在可能对PS/Fe0的处理效果产生影响,因此研究了其对PS/Fe0降解印染废水的影响。结果表明,当溶液中存在碳酸根离子时,PS/Fe0工艺对染料SRF3B的降解效果减弱,且随着碳酸钠浓度的增高而降低。短时间的超声可以使碳酸根的影响降低至最小,并有助于SRF3B的降解和矿化。氯离子的存在会影响PS/Fe0氧化工艺对染料金橙II(OII)的降解速率,并导致含氯中间产物的生成。提高溶液中的PS浓度、反应温度能够有效加快OII的降解并减少含氯中间产物的生成。在高温的基础上添加短时间的超声能够进一步提高降解效率,减少含氯中间产物的生成。螯合剂对PS/Fe0降解染料活性绿19(RG19)模拟废水的影响的研究中发现,螯合剂的存在会螯合溶液中的游离Fe2+,降低溶液中游离Fe2+的浓度,最终导致降解效率的降低。不同螯合剂螯合Fe2+形成的螯合物的稳定常数不同因而对降解效果的影响不同。当RG19溶液中含有1×10-3 M的EDTA二钠时,EDTA的存在仅发挥其自身的螯合作用而不会对RG19的降解中间产物造成影响。PS/Fe0工艺降解混合染料模拟废水时印染助剂的存在同样会对降解效果产生影响,且不同类型的助染剂的影响不同。卵磷脂和聚丙烯酸钠的添加会降低反应速率,且浓度越高对降解效果的影响越大,氯化十六烷基吡啶则相反。最后,进行了PS/Fe0工艺处理实际印染废水的研究。结果表明,PS/Fe0工艺能够对实际印染废水进行有效处理,且高温条件下实际印染废水的处理效果更好。与其它的铁催化剂相比零价铁能够有效催化过硫酸盐处理实际印染废水,且回收后的零价铁仍具有良好的催化活性可以再次被用于催化过硫酸盐降解染料。在PS 5×10-3 M,Fe0 2.0 g/L,55o C的反应条件60 min的反应时间内可使实际印染废水的ADMI值由2516降低到108,降解效率96%,COD值从639 mg/L降低到205 mg/L,降解效率68%,无论是印染废水的色度还是其中的有机物都得到了有效的去除。
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