非均相 Fe/Al2 O3催化 H2O2降解偶氮染料活性黑5

王 艷，宋祖德，李孝洋，劉凱麗，胡宗林，姚 亮，王文強(qiáng)

(安徽科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系，安徽鳳陽 233100)

染料廢水因為成分復(fù)雜、污染物濃度較高、生物毒性大，傳統(tǒng)的物化法和生物法處理很難達(dá)到較高去除率的要求［1-2］。而且近年來染料的大量生產(chǎn)和使用，也進(jìn)一步加大了染料廢水處理的難度。

非均相Fenton技術(shù)克服了均相Fenton pH應(yīng)用范圍窄、反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量鐵污泥等缺點，而且具有易固液分離、操作簡單、氧化能力強(qiáng)等特點［3］，處理高濃度、難生物降解的有毒有害廢水方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，成為目前世界上水處理領(lǐng)域的研究熱點，受到環(huán)境領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者們的高度重視。

在非均相Fenton技術(shù)中，鐵氧化物因其催化活性高、來源廣泛和價格低廉成為廣大學(xué)者研究的熱點?；钚匝趸X具有較大的比表面積和良好的吸附性能，常用作催化劑的載體［4-5］。本文將Fe固定在活性氧化鋁上，以活性黑5為研究對象，考察了Fe/Al2O3催化H2O2降解偶氮染料廢水過程中各操作條件對脫色效果的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

活性黑 5、FeSO4·7H2O、H2O2(30%)、球型活性氧化鋁、H2SO4、NaOH均為分析純。

pH-酸度計;721紫外分光光度計;SX2-1400馬弗爐。

1.2 Fe/Al2O3催化劑的制備

稱取適量FeSO4·7H2O于燒杯中，加入200 mL蒸餾水，攪拌溶解后倒入250 mL錐形瓶中，加入球型活性Al2O3，將錐形瓶置于振蕩器上，振蕩24 h后進(jìn)行過濾，于110℃干燥2 h，350℃焙燒5 h。

1.3 實驗方法

配制1 000 mg/L活性黑5模擬廢水儲備液。取一定量儲備液于200 mL容量瓶內(nèi)，加純凈水至刻度線，定容。然后倒入錐形瓶中，加入一定量的Fe/Al2O3催化劑，開啟恒溫振蕩器，迅速加入設(shè)定量的H2O2，反應(yīng)至所設(shè)定時間，取樣，用NaOH溶液終止反應(yīng)，采用分光光度法在591 nm處測定其吸光度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化條件對脫色效果的影響

50 mg/L活性黑5染料溶液初始pH為3的條件下，加入濃度為200 mg/L H2O2時，對活性黑5溶液的脫色幾乎不產(chǎn)生任何影響，H2O2氧化能力有限，很難讓活性黑5在短時間內(nèi)脫色;在活性黑5溶液中只加入1.5 g/L Fe/Al2O3時，有明顯的脫色效果，說明Fe/Al2O3對活性黑5有一定的吸附性;同時加入Fe/Al2O3和H2O2時，脫色效果更加顯著，說明Fe/Al2O3不但對活性黑5有較強(qiáng)的吸附性能，而且能催化H2O2分解，產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的羥基自由基，從而提高了脫色率。

圖1 在不同氧化體系下活性黑5的降解情況Fig.1 Degradation of Reactive Black 5 in the different oxidation conditions

2.2 pH對脫色效率的影響

當(dāng)活性黑5初始濃度為50 mg/L，催化劑投加量為1.5 g/L，H2O2投加量為200 mg/L時，考察了溶液初始pH值對活性黑5脫色效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 pH對脫色的影響Fig.2 Effect of pH on the decolorization

由圖2可知，溶液初始pH值為3.0時，脫色效果最佳，脫色率為87%;而 pH=9時，脫色率為61.5%。Fe2+或催化劑表面的Fe(II)在酸性條件下容易催化H2O2的分解作用，并產(chǎn)生大量羥自由基;在中性和堿性的環(huán)境中，F(xiàn)e2+會以氫氧化物的形式發(fā)生沉淀，抑制催化劑催化H2O2產(chǎn)生羥基自由基［6］，導(dǎo)致脫色率下降。當(dāng)pH=2時，脫色速率低于pH=3時，因為pH值過低，溶液中存在大量H+，能與染料分子競爭羥基自由基，使得染料脫色受到抑制。

2.3 H 2O2投加量對脫色效率的影響

當(dāng)活性黑5初始濃度為50 mg/L，催化劑投加量為1.5 g/L，pH值為3時，考察了H2O2投加量對活性黑5脫色效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 H2 O2投加量對脫色的影響Fig.3 Effect of the H2 O2 dosage on the decolorization

由圖3可知，脫色速率隨H2O2投加量的增加而減小。H2O2是Fe/Al2O3/H2O2體系的氧化劑，同時也是羥基自由基的抑制劑。如果H2O2濃度過高，過量的H2O2會與目標(biāo)污染物活性黑5競爭羥基自由基，導(dǎo)致活性黑5的脫色效果下降［2，6-7］。

2.4 催化劑投加量對脫色效率的影響

當(dāng)活性黑5初始濃度為50 mg/L，H2O2投加量為200 mg/L，pH值為3時，催化劑投加量對脫色效率的影響見圖4。

圖4 催化劑投加量對脫色的影響Fig.4 Effect of the catalyst dosage on the decolorization

由圖4可知，隨著催化劑的投加量的增加，脫色速率明顯加快。當(dāng)添加量為0.5 g/L時，染料去除率最低，90 min時去除率只有58%;催化劑投加量2 g/L時，去除率最大，達(dá)到81%。這是因為H2O2自身無法使染料在短時間內(nèi)脫色，主要依靠Fe/Al2O3催化H2O2分解產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的羥基自由基來降解染料，而催化劑Fe/Al2O3投加量的增加，為H2O2的分解產(chǎn)生羥基自由基提供了更多的活性部位，使得H2O2在相同時間內(nèi)分解產(chǎn)生了更多的羥基自由，羥基自由進(jìn)一步氧化染料，導(dǎo)致染料的脫色率隨催化劑投加量的增加而增加［6］。

3 結(jié)論

通過對比不同體系下活性黑5的脫色效果可知，單獨H2O2在90 min內(nèi)無法使得活性黑5溶液脫色;Fe/Al2O3對活性黑5有較強(qiáng)的吸附能力，而且能催化H2O2氧化降解活性黑5。在一定條件下，活性黑5的脫色率隨催化劑投加量的增加而升高;而隨 H2O2投加量的增加而降低。在 Fe/Al2O3/H2O2下，活性黑5在pH 2～9之間均有一定的脫色效果，活性黑5的脫色率隨初始pH的增加而先增加后減少，其中在初始pH為3時，脫色效果最佳。

［1］ 鄭展望，雷樂成，張珍，等.非均相 UV/Fe-Cu-Mn-Y/H2O2反應(yīng)催化降解4BS染料廢水［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2004，24(6):1032-1038.

［2］ 王艷，宋祖德，馮明明，等.鐵氧化物聯(lián)合低含量亞鐵離子催化H2O2降解偶氮染料活性黑5［J］.水處理技術(shù)，2014，40(2):35-38.

［3］ Lin Zhirong，Ma Xiaohong，Zhao Ling，et al.Kinetics and products of PCB28 degradation through a goethite-catalyzed Fenton-like reaction［J］.Chemosphere，2014，101:15-20.

［4］ 繆佳，鄭重，丁春生，等.氯化鐵改性活性氧化鋁的制備和表征及其除磷效果研究［J］.非金屬礦，2012，35(3):61-64.

［5］ Yao Xiaojiang，Gao Fei，Dong Lin.The application of incorporation model inγ-Al2O3supported single and dual metal oxide catalysts:A review［J］.Chinese Journal of Catalysis，2013，34:1975-1985.

［6］ 柴多里，劉忠煌，楊?？。?類Fenton試劑處理焦化廢水［J］.化工進(jìn)展，2009，28:103-106.

［7］ 杜婷，王三反，陳霞.固體催化改良Fenton法處理苯酚廢水的研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(2):159-161.