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CN112047419B - 一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法 - Google Patents

一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法 Download PDF

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Abstract

一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法。本发明属于染料有机废水的处理领域。本发明的目的在于解决现有降解刚果红的方法存在的成本高、能耗大、效果有限的技术问题。方法：一、将水稻秸秆加入到聚乙二醇和六水合氯化铁的混合水溶液中，在磁力搅拌下油浴反应，反应完成后高温碳化，得到零价铁生物炭；二、将零价铁生物炭或零价铁生物炭与过硫酸钾的混合物加入到含刚果红的有机废水中，通过吸附或催化氧化完成有机废水中刚果红的去除。采用零价铁生物炭吸附刚果红染料，5min内去除效率就已达到70.5％，去除时间短，效率高。采用零价铁生物炭和过硫酸钾催化氧化刚果红染料，60min去除效果达到90％，150min去除效率高达93.3％，实现含刚果红有机废水的高效去除。

Description

一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法
技术领域
本发明属于染料有机废水的处理领域；具体涉及一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法。
背景技术
随着科学技术和工业化的发展，我国的水体环境受到来自不同种类废水的污染。有机染料作为其中的一种，广泛来源于纺织、食品、化妆品等行业，其大量的排放，不仅危害了水生生物的生长，对人体的健康也构成了危害。这些有机染料具有毒性、致癌性和诱变性。然而，其结构复杂，不易去除。刚果红染料是一种带有双偶氮基团的阴离子染料，其代谢产物联苯胺是一种致癌物。因此，对刚果红染料的去除研究十分必要。
目前，已知的染料去除方法有吸附法，光解法，高级氧化法等。传统的吸附剂，活性炭，沸石等成本高，吸附效果有限。光解法多采用紫外照射，耗能较大，且光解不彻底易产生有毒代谢产物，对环境产生二次污染。高级氧化法的氧化效率高，去除效果好，能将污染物降解为二氧化碳和水，但是，高级氧化需要高电压，导致运行成本增加。因此，综合以上有机染料的去除方法，寻找价格低廉的吸附剂，以及能够催化活化高级氧化的材料尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有降解刚果红的方法存在的成本高、能耗大、效果有限的技术问题，而提供了一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法。
本发明的一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法按以下步骤进行：
一、零价铁生物炭的制备：将水稻秸秆加入到聚乙二醇和六水合氯化铁的混合水溶液中，在磁力搅拌下油浴反应，反应完成后将产物置于管式炉中，在惰性气体保护下，升温至600～800℃，并在该温度下碳化处理1h～3h，自然冷却至室温，得到零价铁生物炭；
二、有机废水中刚果红的去除：将步骤一得到的零价铁生物炭加入到含刚果红的有机废水中，通过吸附完成有机废水中刚果红的去除。
进一步限定，步骤一中所述油浴反应的温度为80～120℃，时间为20min～40min。
进一步限定，步骤一中所述油浴反应的温度为100℃，时间为30min。
进一步限定，在制备零价铁生物炭之前，先对水稻秸秆进行预处理，具体过程为：将水稻秸秆粉碎后过40～100目筛，然后用超纯水清洗2遍，再于60℃烘箱烘干至恒重。
进一步限定，步骤一中所述水稻秸秆的质量为混合水溶液质量的4％～6％。
进一步限定，步骤一中所述水稻秸秆的质量为混合水溶液质量的5％。
进一步限定，步骤一中所述聚乙二醇和六水合氯化铁的混合水溶液中聚乙二醇与水的体积比为1：(0.8～1.2)，所述聚乙二醇和六水合氯化铁的混合水溶液中六水合氯化铁的质量浓度为2％～5％。
进一步限定，步骤一中所述聚乙二醇和六水合氯化铁的混合水溶液中聚乙二醇与水的体积比为1：1，所述聚乙二醇和六水合氯化铁的混合水溶液中六水合氯化铁的质量浓度为2.5％。
进一步限定，步骤一中以5℃/min的升温速率升温至600～800℃。
进一步限定，步骤一中升温至700℃，并在该温度下碳化处理2h。
进一步限定，步骤二中所述的含刚果红的有机废水中刚果红的浓度为10mg/L～50mg/L。
进一步限定，步骤二中所述的含刚果红的有机废水中刚果红的浓度为30mg/L。
进一步限定，步骤二中所述零价铁生物炭的加入量以有机废水体积计为0.2g/L～0.6g/L。
进一步限定，步骤二中所述零价铁生物炭的加入量以有机废水体积计为0.5g/L。
进一步限定，步骤二中除了加入零价铁生物炭外，还加入过硫酸钾，通过催化氧化完成有机废水中刚果红的去除。
进一步限定，所述过硫酸钾的加入量以有机废水体积计为1.5mmol/L～2mmol/L。
进一步限定，所述过硫酸钾的加入量以有机废水体积计为1.8mmol/L。
进一步限定，步骤二完成后固液分离回收零价铁生物炭重复利用。
本发明与现有技术相比具有的显著效果如下：
1)本发明的方法操作简单，步骤少，采用聚乙二醇在恒温常压下对生物质进行预处理，处理过程只需要简单的加热反应即可完成，降低能耗，节约时间，降低成本，溶剂无污染，成本低，处理后的生物质经一步高温碳化转化为磁性生物炭。
2)磁性生物炭的物相组成简单，零价铁晶相特征明显，零价铁存在于生物炭的内部，保护其不被氧化。
3)生物炭具备磁性特征，有利于后续污染物修复后的回收分离。
4)本发明的生物炭由于其良好的比表面积能够被用于污染物的吸附。同时，零价铁具有破坏偶氮基的能力，另一方面，零价铁的加入使生物炭在污染物吸附去除过程中具备了电子转移能力，为高级氧化提供了活化的能量，是一种良好的催化剂。所以，采用零价铁生物炭吸附催化刚果红染料，是一种绿色的潜力巨大的方法。
5)采用零价铁生物炭吸附刚果红染料，5min内去除效率就已达到70.5％，去除时间短，效率高。采用零价铁生物炭和过硫酸钾催化氧化刚果红染料，60min催化氧化去除效果达到90％，150min去除效率高达93.3％，实现含刚果红有机废水的高效去除。
附图说明
图1为具体实施方式一和二中刚果红去除的吸附和催化氧化动力学曲线图；
图2为具体实施方式一和二中刚果红吸附和催化氧化去除的紫外吸收波长(Uv-vis)扫描图；
图3为具体实施方式一和二中零价铁生物炭使用前后的XRD图谱；
图4为具体实施方式一和二中零价铁生物炭使用前后的傅里叶红外(FTIR)光谱图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法按以下步骤进行：
一、零价铁生物炭的制备：将水稻秸秆粉碎后过100目筛，然后用超纯水清洗2遍，再于60℃烘箱烘干至恒重，然后取5g粉碎后水稻秸秆加入到100mL聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中，在磁力搅拌下于100℃下油浴反应30min，反应完成后将产物置于管式炉中，在惰性气体保护下，以5℃/min的升温速率升温至700℃，并在该温度下碳化处理2h，自然冷却至室温，得到零价铁生物炭；所述聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中聚乙二醇400与水的体积比为1：1，所述聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中六水合氯化铁的质量浓度为5％；
二、有机废水中刚果红的去除：将步骤一得到的零价铁生物炭以0.5g/L的加入量(按有机废水体积计)加入到刚果红浓度为30mg/L的有机废水中，通过吸附完成有机废水中刚果红的去除。
具体实施方式二：本实施方式的一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法按以下步骤进行：
一、零价铁生物炭的制备：将水稻秸秆粉碎后过100目筛，然后用超纯水清洗2遍，再于60℃烘箱烘干至恒重，然后取5g粉碎后水稻秸秆加入到100mL聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中，在磁力搅拌下于100℃下油浴反应30min，反应完成后将产物置于管式炉中，在惰性气体保护下，以5℃/min的升温速率升温至700℃，并在该温度下碳化处理2h，自然冷却至室温，得到零价铁生物炭；所述聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中聚乙二醇400与水的体积比为1：1，所述聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中六水合氯化铁的质量浓度为5％；
二、有机废水中刚果红的去除：将步骤一得到的零价铁生物炭和过硫酸钾加入到刚果红浓度为30mg/L的有机废水中，通过催化氧化完成有机废水中刚果红的去除；其中零价铁生物炭的加入量以有机废水体积计为0.5g/L，过硫酸钾的加入量以有机废水体积计为1.8g/L。
验证试验
(一)为验证具体实施方式一的吸附效果，向含刚果红的有机废水中加入零价铁生物炭后摇床振荡，每间隔5min、15min、30min、45min、60min取3mL样品，离心后的上清液在紫外分光光度计下测定其吸光度和波长扫描，观察其吸附效果，其吸附动力学行为如图1所示，降解行为如图2所示。由图1和图2可以看出，在最初的5min，刚果红浓度由初始的30mg/L降低至8.8mg/L，吸附效率达到70.5％，在15min时表现出微弱的脱附，但是在接下来的时间内基本维持微小的下降和稳定趋势，最终在60min达到71.6％的去除率。其全波长扫描显示峰高明显降低。可证明本实施方式的零价铁生物炭对刚果红的吸附去除时间短，效率高。
(二)为验证具体实施方式二的催化氧化效果，向含刚果红的有机废水中加入零价铁生物炭和过硫酸钾后摇床振荡，每间隔5min、15min、30min、45min、60min、90min、120min、150min取3mL样品，离心后的上清液在紫外分光光度计下测定其吸光度和波长扫描，观察其吸附效果，其吸附动力学行为如图1所示，降解行为如图2所示。由图1和图2可以看出，在开始的5min时间内，零价铁生物炭催化过硫酸钾氧化刚果红后的溶液浓度为7.3mg/L，去除效率达到75.7％，在吸附的基础上效率提高了17％。60min催化氧化去除效果达到90％，溶液浓度为3mg/L。150min降低至2mg/L，去除效率达到93.3％。零价铁生物炭对过硫酸钾高级氧化刚果红起到催化作用，对刚果红的降解效率高，材料的吸附对催化氧化过程起主要作用。
(三)材料的回收：将具体实施方式一和二后的混合物倒入烧杯中，利用磁铁固液分离，固体经超纯水清洗后干燥，得到回收的零价铁生物炭。干燥后的零价铁生物炭进行X射线粉末衍射和红外光谱的测试，测试结果如图3和图4所示。由图3和图4可以看出，材料的零价铁衍射峰未发生变化，也未出现其他形态的峰，说明材料的稳定性。红外结果显示官能团-COOH,-OH的消失，说明它们与刚果红染料分子上的–NH2,–N＝N–和–SO3 –基团以氢键形式结合，这种结合主要是氢键吸附。除此之外，红外中未出现其他新的官能团，说明材料担任的是催化剂角色。

Claims (5)

1.一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
一、零价铁生物炭的制备：将水稻秸秆加入到聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中，在磁力搅拌下油浴反应，反应完成后将产物置于管式炉中，在惰性气体保护下，升温至600~800℃，并在该温度下碳化处理1h~3h，自然冷却至室温，得到零价铁生物炭；所述油浴反应的温度为80~120℃，时间为20min~40min，所述水稻秸秆的质量为混合水溶液质量的4%~6%，所述聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中聚乙二醇400与水的体积比为1：（0.8~1.2），所述聚乙二醇400和六水合氯化铁的混合水溶液中六水合氯化铁的质量浓度为2%~5%；
二、有机废水中刚果红的去除：将步骤一得到的零价铁生物炭加入到含刚果红的有机废水中，通过吸附完成有机废水中刚果红的去除，所述零价铁生物炭的加入量以有机废水体积计为0.2g/L~0.6g/L，除了加入零价铁生物炭外，还加入过硫酸钾，通过催化氧化完成有机废水中刚果红的去除；所述过硫酸钾的加入量以有机废水体积计为1.5mmol/L~2mmol/L。
2.根据权利要求1所述的一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法，其特征在于，在制备零价铁生物炭之前，先对水稻秸秆进行预处理，具体过程为：将水稻秸秆粉碎后过40~100目筛，然后用超纯水清洗2遍，再于60℃烘箱烘干至恒重。
3.根据权利要求1所述的一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法，其特征在于，步骤一中以5℃/min的升温速率升温至600~800℃。
4.根据权利要求1所述的一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法，其特征在于，步骤二中所述的含刚果红的有机废水中刚果红的浓度为10mg/L~50mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种快速吸附催化氧化刚果红处理有机废水的方法，其特征在于，步骤二完成后固液分离回收零价铁生物炭重复利用。
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