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微波诱导催化剂 Fe2O3 Al2O3对甲基橙废水的处理 ＊ 张惠灵 农佳莹 徐 亮 范艳辉 王 晶 武汉科技大学资源与环境工程学院, 武汉 430081 摘要 采用微波诱导氧化工艺 MIOP 处理模拟甲基橙废水, 考察了催化剂用量、微波辐射时间 、微波辐射功率及 pH 值 对甲基橙脱色率的影响。 结果表明 在微波功率900 W、辐射时间5 min、催化剂用量2 g L的条件下, 处理20 mg L的甲基 橙废水脱色率可达 93. 2。 同时动力学分析表明, 该氧化过程符合一级动力学规律。 关键词 微波诱导氧化; Fe2O3 Al2O3; 甲基橙废水; 动力学分析 TREATMENT OF METHYLORANGE WASTEWATER BY MICROWAVE INDUCED CATALYST Fe2O3 Al2O3 Zhang Huiling Nong Jiaying Xu Liang Fan Yanhui Wang Jing College of Resource Fe2O3 Al2O3; methyl orange wastewater; dynamic analysis ＊湖北省教育厅重点项目 D200711007 。 0 引言 近年来, 微波诱导氧化技术 Microwave Induced Oxidation Process,简称 MIOP 可快速处理水中难降解 有机污染物 [ 1-2] , 在水处理领域的应用研究中已成为 研究的热点之一。目前研究的热点和技术关键之一 是新型催化剂的制备。当前MIOP 研究中, 大多采用 活性炭或改性活性炭作为诱导化学反应的催化 剂 [ 3- 7] , 但活性炭存在机械强度不理想, 在使用过程中 造成催化剂的流失和催化活性下降的问题 。对于金 属催化剂 ,具有磁性的过渡金属及其化合物对微波有 很强的吸收能力 , 如镍、钴、铁等, 其表面的金属点位 能与微波发生强烈的相互作用 , 将微波能转化为热 能,从而快速加热至很高温度, 在这些点位附近可进 行微波诱导催化氧化反应 。已有研究者采用浸渍法 氧化铝负载氧化铁或金属盐用于处理染料废水 [ 8-11] 。 本文在前期工作的基础上 ,采用液相均匀沉淀法研制 出一种 Fe2O3 Al2O3微波诱导催化剂 ,将其应用于处 理甲基橙废水的工艺 ,取得了较为理想的效果 。 1 实验部分 1. 1 Fe2O3 Al2O3的制备 将按比例配制好的AlCl36H2O、 FeCl36H2O 溶液 加入锥形瓶中, 加入尿素及一定比例的聚乙二醇 PEG200 后在恒温水浴振荡器中快速振荡 , 反应一 段时间后 , 产物经分离 、洗涤后烘干, 煅烧得 Fe2O3 Al2O3复合粉体 。 1. 2 实验方法 称取一定量的催化剂置于250 mL锥形瓶中 ,加入 50 mL的甲基橙废水 ,在一定的功率下辐射一定时间 后,取出冷却至室温, 补加蒸馏水至50 mL, 过滤分离 后用紫外可见分光光度计测定其吸光度 ,并根据吸光 度的变化判断甲基橙废水的脱色率 。 2 结果和讨论 2. 1 催化剂表征 通过扫描电镜观察催化剂 Fe2O3 Al2O3表面上的 结构形貌, 如图 1 所示 。 由图 1可知, 未添加 PEG 制备的 Fe2O3 Al2O3颗 69 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 a 添加PEG 制备的Fe2O3 Al2O3; b未添加PEG 制备的 Fe2O3 Al2O3。 图 1 负载型催化剂 SEM 图 10 000 粒较大 , 说明添加了 PEG 作为分散剂后有效减少 Fe2O3 Al2O3纳米粒子的团聚 , 使制备出的催化剂颗 粒更为均匀,粒径减小。 2. 2 氧化处理工艺条件对甲基橙废水脱色率的影响 2. 2. 1 催化剂用量对脱色率的影响 在微波输出功率900 W, 辐射时间为5 min的条件 下,催化剂的用量对质量浓度为20 mg L的甲基橙废 水脱色率的影响见图 2。 图 2 催化剂用量对甲基橙脱色率的影响 由图 2可知, 微波诱导氧化处理甲基橙废水, 其 脱色率随催化剂用量增加而增大, 当催化剂用量大于 1. 6 g L时, 脱色率的增加趋于缓慢 。综合考虑, 选取 催化剂用量为2 g L。 2. 2. 2 微波辐射时间对脱色率的影响 催化剂用量为2 g L ,在微波辐射功率为900 W的 条件下,微波辐射时间对质量浓度为20 mg L的甲基 橙废水脱色率的影响见图 3。 图 3 微波辐射时间对甲基橙脱色率的影响 由图3 可知, 随微波辐射时间的增加, 脱色率随 之增加 , 微波辐射4 min后, 脱色率可达 90 以上。 Fe2O3为微波升温有拐点的物质, 需要在微波场中辐 照一段时间后才开始急剧升温 [ 1] , 因此增加时间有利 于去除甲基橙。为保证处理效果,本实验选用微波辐 射时间为5 min 。 甲基橙废水处理前后紫外-可见光谱图见图 4。 图中可看出未处理的甲基橙在 250～ 600 nm有一小一 大两个吸收峰, 最大吸收峰为偶氮双键的特征峰 [ 10] 。 处理1 min后这两个吸收峰已明显降低, 但仍存在, 说 明溶液中仍存有甲基橙, 溶液颜色变浅 ; 随着处理时 间的增加, 吸收峰逐渐降低 ,也未生成其他有色有机 物。6 min后吸收峰几乎消失 , 表明其偶氮结构被破 坏,在紫外可见区有吸收峰的有机污染物几乎完全矿 化,不会对环境造成二次污染 [ 12] 。 a0 min; b1 min; c2 min; d3 min; e4 min; f5 min; g 6min。 图 4 微波辐射不同时间后的甲基橙紫外-可见光谱 70 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 2. 2. 3 微波辐射功率对脱色率的影响 催化剂用量为2 g L, 辐射时间为5 min的条件下, 微波辐射功率对质量浓度为20 mg L的甲基橙废水脱 色率的影响见图 5。 图 5 微波辐射功率对甲基橙脱色率的影响 由图 5可知, 随着微波辐射功率的增加, 甲基橙 废水脱色率呈升高趋势 , 微波辐射功率 720 W时脱 色率达 90以上。综合考虑, 本实验选用微波辐射 功率900 W。 2. 2. 4 pH 值对脱色率的影响 催化剂用量为2 g L, 微波辐射功率900 W , 辐射 5 min的条件下 ,废水 pH 值对质量浓度为20 mg L的甲 基橙废水脱色率的影响见图 6。 图6 pH 值对甲基橙脱色率的影响 由图 6 可知 ,催化剂在酸性和中性条件下对甲基 橙的脱色率明显高于碱性 ,说明微波和 H 协同作用 较好 [ 13] 。由于甲基橙的分子结构和颜色均随溶液 pH 值的变化而变化 ,溶液 pH 约为 3 时 , 甲基橙为醌 式结构 ,以分子态存在 ; 溶液 pH 约为 6. 5 左右时, 甲 基橙逐渐转为偶氮式结构, 以离子态存在 [ 14] 。甲基 橙醌式结构比偶氮式结构更活泼 , 易发生降解 ,分子 态的甲基橙更容易进入催化剂金属点位附近 ,与吸收 微波能产生的“热点”发生诱导反应 。因此,在酸性条 件下甲基橙具有较高的脱色率 ,实验用甲基橙废水呈 弱酸性,故从经济因素考虑不需再调其 pH 。 2. 2. 5 废水的反应动力学研究 对有催化剂存在的微波辐射处理甲基橙废水的 反应动力学过程进行了研究, 结果见图 7。 图 7 微波诱导氧化反应动力学 由图7 可知, 反应过程近似一级反应, 动力学方 程为 - lnC 0. 3564t 0. 4138 R 2 0. 9879 , 反应速 率常数K 0. 3564 min -1 , 反应半衰期 1. 675 min。 3 结论 1 在微波诱导氧化工艺中采用 Fe2O3 Al2O3为催 化剂处理甲基橙染料废水是可行的 ,该方法具有设备 简单 ,操作方便 ,处理时间短等优点 ,为难降解有机污 染物处理提供了一种新型物理化学水处理技术。 2 在微波功率900 W , 辐射时间5 min, 催化剂用 量为2 g L的条件下, 微波诱导氧化处理质量浓度为 20 mg L的甲基橙废水,脱色率可达 93. 2, 处理效果 较为理想。 3 微波诱导氧化处理甲基橙废水脱色反应动力 学研究表明, 该反应近似一级反应, 反应速率常数 K 0. 3564 min -1 ,反应半衰期 1. 675 min。 参考文献 [ 1] 王鹏. 环境微波化学技术[M] . 北京 化学工业出版社,2003 42 -50. 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