活性炭活化過硫酸鈉降解羅丹明B的規律研究

馬國峰, 高美玉, 賀春林

(沈陽大學 遼寧省先進材料制備技術重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

活性炭(AC)是通過加熱等手段形成的顆粒狀或粉末狀的無定形碳, 它具有制備簡單, 原料來源廣, 比表面積大, 孔結構發達, 成本相對較低等特點[1-2]. 它是一種比較常見的吸附劑, 在日常用水處理中廣泛應用, 但它的吸附存在飽和問題, 且其機制是有機物的轉移, 而未能實現有機物的完全降解[3].

過硫酸鹽氧化技術是近年來新興的一種高級氧化技術,其原理是過硫酸根中的雙氧鍵—O—O—在過渡金屬(Me)、加熱、超聲波、紫外線、微波等作用下斷裂,具體原理如下[4-7]:

由于AC具有良好的活化作用,因此對AC活化過硫酸鹽的機理深入研究將對污水處理、生態修復等方面都具有重要科學意義.本研究選取了商業煤質AC作為過硫酸鹽活化劑,以羅丹明B作為目標有機物,通過實驗研究AC對過硫酸鹽的活化效果,考察各影響因素對反應的影響,以期為AC在過硫酸鹽氧化技術中的應用和推廣提供理論依據與技術支撐.

1 實驗材料與方法

煤質活性炭(AC,天津市科密歐試劑有限公司);Na2S2O8(PS,天津市大茂化學試劑廠,分析純);羅丹明B (國藥集團化學試劑有限公司);HCl和NaOH(天津市科密歐試劑有限公司,分析純);Lambda750S型紫外-可見分光光度計;PHS-25 pH計;恒溫水浴鍋;JJ-1電動攪拌器;帶有X射線能量色散光譜(EDS)分析儀的日立S-4800掃描電子顯微鏡(SEM).

取配制好的羅丹明B溶液100 mL(質量濃度50 mg·L-1)放入燒杯中,把燒杯置于恒溫水浴鍋中預熱至實驗所需溫度,調溶液pH,先加入AC,再加入PS,在設定的時間點(0～150 min)取樣,加入甲醇終止反應,用紫外-可見分光光度計進行吸光度和波長檢測,同一實驗重復2次.

將配制好的羅丹明B溶液用紫外-可見分光光度計在200～800 nm波段進行掃描,如圖1所示羅丹明B溶液在波長為554.1 nm時吸光度最大.

圖1羅丹明B溶液紫外/可見光光譜
Fig.1 UV-vis spectrum of RhB

利用紫外-可見分光光度計于λ=554.1 nm處測定樣品的吸光度.去除率計算如下:

X=(c0-ct)/c0×100%.

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式中:X為羅丹明B的去除率,%;t為反應時間,min;c0和ct分別為初始時刻和t時刻羅丹明B的質量濃度,mg·L-1.

2 結果與討論

2.1 AC的顯微表征

圖2是AC 的掃描電子顯微形貌照片,從圖中可以看出AC呈顆粒狀,但粒徑不均勻.圖3為AC 的X射線能量色散光譜分析圖譜,表面不光滑.通過EDS分析表明AC表面元素主要為C、Fe、Si、Al、S和O.

圖2 AC的SEM照片
Fig.2 SEM Photo of AC

圖3 AC的X射線能量色散光譜分析圖譜Fig.3 AC X-ray EDS analysis map

2.2 羅丹明B的降解

圖4 不同體系對羅丹明B的去除效果Fig.4 Removal of RhB in activated different systems

2.3 PS初始濃度對羅丹明B去除率的影響

圖5 PS初始濃度對降解羅丹明B效果的影響

2.4 初始pH值對羅丹明B去除率的影響

在30 ℃條件下,研究了初始pH值分別為3、5、7、9 和11對羅丹明B去除率的影響(羅丹明B質量濃度為50 mg·L-1;AC的投入量為0.8 g·L-1;PS初始濃度為0.75 mmol·L-1),如圖6所示.在AC/PS體系中,150 min內pH值為3時羅丹明B的去除率最高,隨著初始pH的繼續增加,羅丹明B的去除率逐漸降低.

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圖6 初始pH值對降解羅丹明B效果的影響

2.5 溫度對羅丹明B去除率的影響

一般來說,溫度是化學反應的重要影響因素,溫度升高都有利于反應的進行[19].圖7為不同溫度對羅丹明B去除率的影響曲線圖(羅丹明B質量濃度為50 mg·L-1、AC的投入量為0.8 g·L-1、PS初始濃度為1 mmol·L-1和pH值為7).隨著溫度的升高,羅丹明B的去除率也隨之提高,但是溫度在30～40 ℃之間時,隨溫度的升高羅丹明B去除率增加趨勢變化不大.這是因為當溫度升高時,一方面溶液中分子運動加快,從而提高反應物分子間的碰撞速率,加速反應進行,另一方面AC吸附有機物時需要吸收熱量,因此提高溫度加速了吸附過程,這兩方面原因導致了羅丹明B的去除率的提高.

圖7 溫度對降解羅丹明B效果的影響Fig.7 Effect of temperature on the decolorization of RhB

2.6 AC的重復利用

本研究采用3次循環實驗對AC的重復利用性能進行評價,實驗條件為溫度30 ℃、羅丹明B質量濃度為50 mg·L-1、AC的投入量為0.8 g·L-1、PS初始濃度為1 mmol·L-1和pH值為7,實驗結果如圖8所示.隨著使用次數的增多,AC/PS體系對羅丹明B的去除率逐漸下降.第1次重復使用時,在150 min內PS/AC體系對羅丹明B的去除率達到82.23%.第3次重復使用時,在150 min內PS/AC體系對羅丹明B的去除率達到59.63%.AC表現出較好的重復利用性能.而導致去除率下降的原因有以下兩方面:一方面是AC具有好的吸附性能,再次使用時,羅丹明B及其中間產物在AC上的積累,這使得PS與AC表面的活性位點接觸的機會減少;另一方面PS具有強氧化性,再次使用時AC的還原性降低,從而導致AC活化PS的性能下降.

圖8 AC重復使用對羅丹明B降解效果的影響Fig.8 Effect of reused AC on the decolorization of RhB

3 結 論

(1) 通過掃描電子顯微鏡分析,AC表面凸凹不平,呈顆粒狀,表面元素主要為C、Fe、Si、Al、S和O.

(2) 單獨PS體系對羅丹明B的去除效果不明顯;單獨AC體系對羅丹明B有一定的去除效果;結合PS/AC體系可以實現水中羅丹明B的顯著地降解,表明顆?；钚蕴繉^硫酸鹽起到了很好的活化作用.

(3) 對于PS/AC體系來說,去除率與PS初始濃度、溶液初始pH值、溫度有關,初始PS濃度和初始pH對羅丹明B去除率的影響較大,而溫度對羅丹明B去除率的影響較小;AC活化PS的性能隨著使用次數的增加而逐漸減小,但是仍具有較好的活化性能,重復使用3次對羅丹明B的去除率還可以達到59.63%.