铁屑还原法处理染料废水的实验研究

铁屑还原法处理染料废水的实验研究 吴德光 (山东省寿光市环保局, 山东 寿光 262700) 摘要 � 通过数批实验研究了 5种染料在铁屑处理系统中的脱色效果,并考察了铁屑投加量, 初始 pH 值等影响因素的 影响和主要还原脱色机理。实验结果表明:染料可以在铁屑处理系统中发生快速有效的脱色反应,酸性大红 GR,活性 艳红 X� 3B 等水溶性偶氮染料经铁屑处理 1 h后,脱色率可达到 90% 左右。主要脱色机理包括还原反应破坏染料显 色基团和混凝沉淀作用两种,不同结构类型的染料其还原脱色机理也不相同。 关键词 � 铁屑还原 � 染料脱色 � 染料废水 � 废水处理 � 收稿日期: 2006- 07- 31 作者简介:吴德光( 1969~ ) ,男,工程师,主要研究方向:环境污染物排放管理与控制。E- mail : wdli101@126. com � Treatment of Dye Wastewater by Reduction with Iron Scraps Wu Deguang ( Environmental Protection Bureau of Shouguang in Shandong province, Shandong Shouguang 262700) Abstract � Decoloration of f ive kinds of dye were investigated by batch experiments with iron scraps, and the factors including dose of iron scraps, initial pH etc, and the mechanism of decoloration were discussed. Results showed that dye wastewater could be decolorized quickly by iron scraps and dye was ready to react with iron, decoloration rate of acid brilliant scarlet GR and reactive brilliant red X- 3B up to 90% after reaction time 1 h. The main mechanism of decolorination in� cluded reductive react ion to destroy colour fimctional group and coagulat ion action, furthermore, there were different mecha� nism of decolorinat ion for different kind of dye. Keywords � reduction with iron scraps � dye decolorination � dye wastewater � treatment of wastewater � � 我国是染料生产大国,目前世界染料年产量大约 为80~ 90万 t, 而我国染料年产量已经达到 15万 t, 位居世界前列。在染料生产和使用过程中大约有 10% ~ 15%的染料会直接随废水排放到环境中,造成 水体污染[ 1]。而且随着科技进步和染料产业的发展, 人工合成染料种类越来越多, 结构日趋复杂, 性能日 趋稳定,当前染料分子主要是以芳烃和杂环化合物为 母体,并带有显色基团和极性基团,难以脱色降解,所 以给染料废水和印染废水的处理带来更大困难。 目前,染料废水的主要处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 有吸附法、生化 法、化学氧化法、混凝沉淀法、内电解法等,但是由于 都存在一定的局限性, 染料废水的处理,尤其是含有 难脱色降解染料的废水处理仍存在很大困难[ 2、3] , 最 近国内外的研究表明,零价铁可以还原多种染料的显 色基团,比如偶氮染料的偶氮键能被还原为胺基, 从 而使含有偶氮键的染料失去颜色[ 4、5] , 资料表明, 目 前市场上所能购买到的染料中大约有 50%为偶氮染 料,有单偶氮、双偶氮、三偶氮等多种类型的染料, 其 中包括酸性、碱性、分散、直接染料等。所以研究偶氮 类染料通过零价铁的还原脱色是非常有价值和意义 的。本实验研究中选取了几种有代表性的偶氮染料 和蒽醌染料进行铁屑还原脱色研究。 1 实验部分 1. 1 � 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和仪器 铁屑(螺旋弯曲状) ,酸性大红 GR, 活性艳红 X � 3B, 分散红 3B,还原棕 GG,阳离子红 X � GRL。 恒温摇瓶柜、COD 分析仪、便携式 pH/ ISE 计、 756MC紫外 � 可见分光光度计、高速离心机。 1. 2 � 实验方法 �55� 第 20卷第 9期 2006 年 9 月 � � � � � � � � � � � � 化工时刊Chemical Industry Times � � � � � � � � � � � � Vol. 20, No. 9Sep. 9. 2006 一定量的铁屑, 除油清洗处理后, 用 0�1 mol/L 的稀盐酸溶液浸泡 0. 5 h, 进行活化, 去除铁屑表面 的氧化物或者氢氧化物, 提高铁屑的反应性能。将处 理后的铁屑按照一定的堆积密度装填到反应瓶中备 用。染料溶液用蒸馏水配制为 200 mg/ L, 将配制好 的染料模拟废水加入到反应瓶中, 然后将反应瓶封口 后放入摇瓶柜进行振荡, 隔一定时间后取样分析, 水 样离心后取上清液测定吸光度。 1. 3 � 分析测定方法 使用分光光度法测定染料废水的脱色率(表 1) , 脱色率按下式计算[ 6] : 脱色率= [ ( A 0- A 1) / A 0] 100% 式中: A 0为脱色前染料溶液的吸光度; A 1 为脱 色后染料溶液的吸光度。 实验所用染料的结构特性如表 1所示: 表 1 � 实验所用染料的结构类型和特性 染料 编号 染料名称 类别 结构 吸收波长 / nm A 酸性大红 GR 酸性 偶氮 526 B 活性艳红 X � 3B 活性 偶氮 525 C 阳离子红 X � GRL 阳离子 偶氮 527 D 分散红 3B 分散 蒽醌 525 E 还原棕 GG 还原 蒽醌 489 2 实验结果与讨论 2. 1 � 不同染料的脱色效果 图 1 � 不同染料溶液的脱色率 图1为 5种染料在相同的铁屑还原体系中的脱 色效率,实验条件: 染料浓度均为 100 mg/L , 反应瓶 体积为 500 mL, 内部装填 300 g的铁屑, 每个反应瓶 中染料模拟废水的加入体积为 400 mL。从图中的数 据可以看出, 5种不同结构类型的染料在铁屑还原体 系中都有较好的脱色效果, 但是不同结构性质的染 料,其脱色性能也有较大不同, 其中 A、B、C 3种偶氮 染料的脱色效果明显好于 D、E两种蒽醌类染料。尤 其是分散红,脱色效果较差。酸性大红 GR和活性艳 红 X � 3B具有较快的脱色速率, 反应 60 min后, 脱色 率达到 90%左右, 而反应 120 min后, 脱色率几乎达 到 100% ,所以铁屑还原法对于多种染料的色度去除 是非常有效的,而且是快速的。 2. 2 � 铁投加量影响 铁投加量的多少,直接会影响反应效果。结果如 图 2所示,反应条件为: 200 mg/ L 的酸性大红 GR 染 料溶液 400 mL中分别投加 50、100、200、300、400、 500 g铁屑,反应 1 h。 图 2 � 铁投加量对染料脱色的影响 反应体系中铁的投加量,即铁的浓度对于染料脱 色会产生极大的影响,铁投加量越多,反应速率越快, 在铁投加量 0~ 300 g之间时,脱色率会与铁投加量成 正比例关系,但是当铁的投加量增加到一定程度后, 对反应的影响会逐渐减小, 可以看出在本实验中, 铁 投加量为 300 g以后,铁的浓度对脱色效率的影响已 经不明显了, 此时可能铁已经过量,影响反应的反而 是化学反应速率。对于其它几种染料的实验结果也 是同样的规律。 2. 3 � 溶液 pH 值影响 实际废水的 pH 值有很大差异, 所以有必要研究 不同 pH值对反应效果的影响,因为传统的铁炭法一 般需要将废水 pH 值调节至酸性条件才能保证较好 的脱色效果。以活性艳红X � 3B为例考察了溶液 pH 值对反应速率的影响, 反应条件为: 200 mg/ L 的活性 艳红 X � 3B染料溶液 400 mL中, 投加 300 g铁屑, 初 始 pH 值分别使用硫酸和氢氧化钠调节至 2、4、6、8、 10、12,反应时间为 1 h,结果如图 3。 从图 3可知, 溶液初始 pH 值对染料的脱色确实 有较大影响,尤其是在碱性条件下。在酸性和中性条 件下, 染料在铁屑还原体系中都有较好的还原脱色效 果,弱碱性条件下,脱色效果也可以,但是与弱酸性条 件下相比, 已有明显减弱, 当pH 值大于10以上,则反 应速率会急剧下降, 主要是铁在强碱性环境中, 反应 �56� 化工时刊 � 2006�Vol�20, No�9 � � � � � � � � � � � � � � � � � 工艺!试验∀Technology& Testing# 速率缓慢,而且不利于染料还原反应的进行。可以看 出反应的最佳 pH 值为弱酸性条件,但是如果废水的 pH值在 10以下,基本不需要调节 pH 值。 图 3 � 溶液 pH 值对染料脱色的影响 3 脱色机理探讨 � � 通过理论分析表明,铁屑还原法处理染料废水的 主要作用机理有两种, 一是铁与染料发生氧化还原反 应,染料的显色基团被还原,从而失去颜色,染料也由 大分子显色物质转化为小分子无色物质。二是铁腐蚀 氧化过程产生的铁离子的混凝沉淀作用, 将染料从溶 液中混凝沉淀到污泥中,从而去除染料废水的色度。 还原反应主要发生如下反应: 阳极反应: Fe- 2e- Fe2+ 阴极反应: R � N N � R∃ + 2e- + 4H+ R � NH2+ R∃ � NH2 而混凝沉淀作用主要发生如下反应: Fe 2+ + 2OH - Fe(OH) 2 4Fe 2+ + 8OH - + O2+ 2H2O 4Fe( OH) 3 而且 生 成的 Fe ( OH ) 3 还可 能 水 解生 成 Fe( OH) 2+ 、Fe( OH) +2 等配离子,它们都有很强的絮凝 性能。 为了具体区分在染料脱色过程中有多少是还原 作用,有多少是混凝沉淀作用,设计如下实验:在反应 体系中加入足量的 EDTA, EDTA可以与 Fe2+ 和 Fe3+ 形成非常稳定的配合物, 从而防止 Fe3+ 形成 Fe( OH) 3,所以如果反应体系加入 EDTA后, 相当于排 除了染料脱色的混凝沉淀作用,这时脱色机理主要是 由于发生还原反应, 而且还通过进一步检测还原产物 来进行确定,实验结果如表 2所示。 表 2� 加入 EDTA 后染料脱色情况比较 染料 名称 去除率 / ( % ) 加 EDTA后去 除率/ ( % ) 去除率 变化/ ( % ) 结 构 水溶 性 酸性大红 GR 97. 8 92. 3 5. 5 偶氮易溶 活性艳红 X � 3B 98. 1 88. 6 9. 5 偶氮易溶 阳离子红X� GRL 93. 4 92. 5 0. 9 偶氮可溶 分散红3B 78. 5 43. 1 35. 4 蒽醌不溶 还原棕 GG 92. 1 45. 2 46. 9 蒽醌不溶 � � 通过表 2的数据可以看出,染料的脱色过程确实 是还原反应和混凝沉淀共同作用的结果,而且更重要 的是染料的结构特性不同,在其脱色过程中还原反应 或者混凝沉淀作用所占的比重也不同。对于可溶性 的偶氮染料, 其中还原反应起到了最主要作用, 通过 检测还原产物,也可以得出同样的结论, 因为有大量 的苯胺生成,偶氮键已经被断裂还原为胺基。而对于 两种蒽醌类染料,由于其不溶于水, 而且较难还原, 所 以混凝沉淀起到了较大作用,比如还原棕的去除几乎 是 1/ 2为还原去除, 1/ 2为混凝沉淀去除。因此可以 根据染料结构的不同选用合适的工艺,如果染料废水 中的染料是以水溶性的偶氮染料为主,那么应该充分 保证其还原作用, 创造有利于还原反应的条件, 比如 不进行曝气,控制在无氧条件下进行。如果要充分发 挥其混凝沉淀作用, 可以进行曝气,加速铁的消耗和 腐蚀,并生成尽可能多的铁氢氧化物沉淀, 实现较好 的混凝沉淀作用。 4 结论 � � 铁屑还原法可以有效的实现染料废水的脱色, 其 作用机理主要有还原反应破坏其显色基团和混凝沉 淀两种作用。 不同结构类型的染料的脱色机理不相同, 水溶性 的偶氮染料主要以还原反应为主要脱色机理。 关于铁屑还原法进行染料脱色的机理和铁屑还原 法的工程化应用问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 还需要进一步的深入研究。但是 铁屑价廉易得, 对环境不会产生污染, 无毒无害,如果 进行合理的条件优化和深入研究,该技术可发展成为 经济高效的染料废水或者印染废水脱色处理技术。 参考文献 [ 1] � 文湘华,王东海,钱易.环境科学学报, 2000, 20(1) : 54~ 57 [ 2] � 李茵.化工时刊 2005, 19(10) : 60~ 64 [ 3] � 周家艳,陈金龙,李爱民.江苏环境科技, 2005, 18(2) : 43~ 45 [ 4] � Cao J S,Wei L P. , et al . Chemosphere, 1999, 38(3) : 565~ 571 [ 5] � 曹加胜,王连生,韩朔睽,等. 环境化学, 1999, 18( 2) : 153~ 157 [ 6] � Ashlan I. , et al .Dyes and Pigments. 1999, 43: 95~ 108 �57� 吴德光 � 铁屑还原法处理染料废水的实验研究 � � � � � � � � � � � 2006�Vol�20, No�9 � 化工时刊