Decolorization of Dye Wastewater in Fenton Process with Fly Ash Activated by Acid.docx

Decolorization of Dye Wastewater in Fenton-like Process with Fly Ash Activated by Acid DONG Jing, WU Dayang, LIU Yiping, ZHANG Cheng, HUANG Jianhua, LU Ming* College of Textile and Garment, Southwest University, Chongqing, China*Keywords: fly ash, acid activation, dye wasterwater, Fenton-like processAbstract. Fly ash was selected as raw material and dye wastewater as model in this report to study the acid activation of fly ash and the performance of decolorizing dye wastewater in Fenton-like process which consists of activated fly ash and H2O2. Results showed that activated fly ash can promote Fenton-like decolorization process. Optimum conditions of acid activation were that the concentration of sulfuric acid was 20%, temperature was 60. Decolorization rate of dye wastewater was good under the condition (amount of H2O2=1mlL-1, reaction time=20min, pH=3.0).酸活化粉煤灰及类芬顿催化脱色染料废水董静, 吴大洋, 刘一萍, 张成, 黄建骅, 卢明* 西南大学纺织服装学院，重庆，中国*关键词: 粉煤灰, 酸活化, 染料废水, 类芬顿处理中文摘要. 本文利用粉煤灰作为原料，以染料废水为目标污染物，研究了粉煤灰的酸活化改性及其类芬顿催化脱色染料废水的性能。实验结果表明：酸活化后粉煤灰（AFA）有利于类芬顿催化脱色反应。最佳酸活性条件为：20%硫酸、60；最佳催化脱色反应条件为：双氧水（30%）1mlL-1、反应时间20min、废水pH值为3.0。1引言粉煤灰是燃煤电厂排放的主要固体副产品，由多种不同结构和形态的微粒组成，主要是玻璃球体，主要成分是SiO2，A12O3，CaO，Fe2O3等1。目前，我国粉煤灰的总堆存量己超过10亿吨，但是粉煤灰的利用率却仅为50%左右，而且大部分用于建筑工程和建材制品方面，其利用价值没有得到充分的体现。随着资源的日益短缺，含有丰富金属氧化物的粉煤灰逐渐被重视起来。染料在生产、使用和降解过程中会产生大量的染料废水。染料成分复杂，通常难以经自然降解的方式去除，会严重污染环境，也在一定程度上威胁着人类的身体健康。染料废水具有成分复杂、难降解、有机污染物含量高（高达50000mgmL-1)、色度高、化学需氧量（COD）高、生化需氧量（BOD）高、碱性大、毒性大、水量大、水质变化大等特点2。当前有多种物理化学方法和生物方法可用于染料废水的降解处理，但受废水处理效率和处理成本的限制，国内外常用于工业染料废水处理的方法主要有：生物处理法3、絮凝法4、电化学法5、化学氧化法6等方法。近年来，研究表明粉煤灰具有一定的催化性能7,8。本研究采用酸活化粉煤灰催化H2O2，对活性艳红X-3B模拟染料废水进行脱色研究，考查其催化脱色效果，找出一条能够在染色废水处理领域，可行性强，见效快的合理利用粉煤灰的途径。2实验材料与方法2.1 实验仪器与药品实验仪器：可见分光光度计（MODEL-723PC），酸度计（PHS-3C），电子分析天平（FA2004A），电热恒温鼓风干燥箱，恒温磁力搅拌器，恒温振荡器（SHA-B）。实验药品：活性艳红X-3B（泰丰泰兴化工有限责任公司），粉煤灰，硫酸，氢氧化钠，过氧化氢（30%）。实验所用染料废水是活性艳红X-3B配制而成，浓度为0.2 g/L。2.2 实验方法2.2.1 酸活化粉煤灰催化剂（AFA）的制备（1）粉煤灰的预处理取粉煤灰若干，过100目筛，取筛下部分，放至烘箱中烘干至恒重，放入干燥皿备用。（2）粉煤灰的酸活化取一定量粉煤灰，与一定浓度的硫酸溶液以20gL-1的比例混合，以200rpm的搅拌速度搅拌2h后，离心、过滤，并放入105干燥箱中烘干至恒重，放入干燥皿备用。为了确定最佳的粉煤灰酸活化条件，分别研究了硫酸浓度，活化温度对脱色率的影响。催化脱色反应的条件是T=50，pH=3.0，CH2O2=5mlL-1，CAFA=2gL-1，反应时间t=30min。2.2.2 催化脱色反应影响因素实验本研究中，类芬顿催化脱色反应的影响因素主要有：H2O2投加量，反应时间，pH值。2.2.3 脱色测试方法本研究采用分光光度计测定水样的吸光度（Abs），通过公式计算出脱色率。=A0-A1A0100%式中，A0为脱色反应前染料废液的吸光度，A1为脱色反应后染料废液的吸光度。3 结果与讨论3.1 粉煤灰酸活化条件对脱色率的影响图1,2分别是不同浓度硫酸活化粉煤灰、活化温度对活性艳红X-3B模拟染料废水脱色率的影响。图1 不同浓度硫酸活化粉煤灰对模拟染料废水脱色率的影响Fig.1 The effect of the concentration of sulfuric acid on the decolorization rate of dye wastewater由图1可以看出，随着硫酸浓度的增大，活性艳红X-3B溶液的脱色率增大，当硫酸浓度超过40%时，脱色率变化趋于缓和；当硫酸浓度大于80%时，脱色率趋于变小，特别是98%浓硫酸活化粉煤灰的催化脱色率降到40%。因此，硫酸浓度应选择在20%。图2 不同活化温度对模拟染料废水脱色率的影响Fig.2 The effect of fly ash activated temperature on the decolorization rate of dye wastewater随粉煤灰活化温度的升高，废水脱色率提高，在60时得脱色效果最好，脱色率达到96.84%，活化温度继续升高时，脱色率略有下降。提高活化温度，硫酸活化作用增大，脱色率升高，但温度较高，铁离子大量溶出使粉煤灰催化作用降低，从而脱色率有所降低。改性粉煤灰的最佳温度是60，但在常温（20）下，脱色率也能达到90%以上。考虑到活化过程的能耗，活化温度选择在常温（20）。3.2 双氧水用量对脱色率的影响类芬顿催化脱色染料废水处理体系采用浓度为30%的过氧化氢为氧化剂。表1是双氧水用量对染料废水脱色率的影响。表1 不同双氧水用量对模拟染料废水脱色率的影响Tab.1 The effect of input amount of H2O2(30%) on the decolorization rate of dyeing wastewaterH2O2用量（mlL-1)00.0010.010.1151020脱色率（%）12.549.4135.5188.4495.719495.6191.58由表1可知，当双氧水用量达到1mlL-1时，脱色率就可以达到95.71%，随着双氧水用量的增加，模拟染料废水的脱色率不再有较大变化。3.3 催化脱色反应时间对脱色率的影响由图3可知，随着类芬顿催化脱色反应时间的增加，脱色率提高。当反应时间达到20min时，脱色率已经达到96.55%，继续延长反应时间，脱色率基本保持不变。图3 酸活化粉煤灰催化脱色反应时间对模拟染料废水脱色率的影响Fig.3 The effect of decolorization time on the decolorization rate of dye wastewater实验结果表明，酸活化粉煤灰催化的类芬顿反应有较强的反应活性，反应效率较高。脱色反应时间确定为20min。3.4 pH值对脱色率的影响图4 模拟染料废水pH值对脱色率的影响Figure 4 The effect of pH on the decolorization rate of dye wastewater由图4可以看出，随着pH值的增加，脱色率先逐渐增大，当pH值为3时，脱色率达到最大值为94.57%，随后继续增大pH值，脱色率降低。实验结果与芬顿反应最佳pH值一致，说明酸活化粉煤灰是通过表面铁离子催化双氧水氧化降解染料，从而对染料废水实现脱色。4 结论酸活化后粉煤灰（AFA）有利于类芬顿催化脱色反应。最佳酸活性条件为：20%硫酸、60；最佳催化脱色反应条件为：双氧水（30%）1mlL-1、反应时间20min、废水pH值为3.0。酸活化粉煤灰的催化反应机理类似于同相芬顿反应机理。致谢本文为西南大学“国家级大学生创新创业训练计划”项目微波-芬顿催化剂高效降解染料废水的研究的阶段性成果之一。References1WANG W., HAN L.: Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry (2007), P. 382-388.2CORREIA V. M., STEPHENSON T., JUDD S. J.: Environmental Technology Vol. 15 (1994), P. 917-929.3BANAT I. M., NIGAM P., SINGH D.: Bioresource Technology Vol. 58 (1996), P. 217-227.4Huo Y.,Xue L.,Yuan H., et al.: Industrial Water Treatment (2006), P. 33-35.5LIN S. H., PENG C. F.: Water Research Vol. 28 (1994), P. 277-282.6AZBAR N.