活性炭活化过硫酸钠降解罗丹明B的规律研究

马国峰, 高美玉, 贺春林

(沈阳大学 辽宁省先进材料制备技术重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

活性炭(AC)是通过加热等手段形成的颗粒状或粉末状的无定形碳, 它具有制备简单, 原料来源广, 比表面积大, 孔结构发达, 成本相对较低等特点[1-2]. 它是一种比较常见的吸附剂, 在日常用水处理中广泛应用, 但它的吸附存在饱和问题, 且其机制是有机物的转移, 而未能实现有机物的完全降解[3].

过硫酸盐氧化技术是近年来新兴的一种高级氧化技术,其原理是过硫酸根中的双氧键—O—O—在过渡金属(Me)、加热、超声波、紫外线、微波等作用下断裂,具体原理如下[4-7]:

由于AC具有良好的活化作用,因此对AC活化过硫酸盐的机理深入研究将对污水处理、生态修复等方面都具有重要科学意义.本研究选取了商业煤质AC作为过硫酸盐活化剂,以罗丹明B作为目标有机物,通过实验研究AC对过硫酸盐的活化效果,考察各影响因素对反应的影响,以期为AC在过硫酸盐氧化技术中的应用和推广提供理论依据与技术支撑.

1 实验材料与方法

煤质活性炭(AC,天津市科密欧试剂有限公司);Na2S2O8(PS,天津市大茂化学试剂厂,分析纯);罗丹明B (国药集团化学试剂有限公司);HCl和NaOH(天津市科密欧试剂有限公司,分析纯);Lambda750S型紫外-可见分光光度计;PHS-25 pH计;恒温水浴锅;JJ-1电动搅拌器;带有X射线能量色散光谱(EDS)分析仪的日立S-4800扫描电子显微镜(SEM).

取配制好的罗丹明B溶液100 mL(质量浓度50 mg·L-1)放入烧杯中,把烧杯置于恒温水浴锅中预热至实验所需温度,调溶液pH,先加入AC,再加入PS,在设定的时间点(0～150 min)取样,加入甲醇终止反应,用紫外-可见分光光度计进行吸光度和波长检测,同一实验重复2次.

将配制好的罗丹明B溶液用紫外-可见分光光度计在200～800 nm波段进行扫描,如图1所示罗丹明B溶液在波长为554.1 nm时吸光度最大.

图1罗丹明B溶液紫外/可见光光谱
Fig.1 UV-vis spectrum of RhB

利用紫外-可见分光光度计于λ=554.1 nm处测定样品的吸光度.去除率计算如下:

X=(c0-ct)/c0×100%.

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式中:X为罗丹明B的去除率,%;t为反应时间,min;c0和ct分别为初始时刻和t时刻罗丹明B的质量浓度,mg·L-1.

2 结果与讨论

2.1 AC的显微表征

图2是AC 的扫描电子显微形貌照片,从图中可以看出AC呈颗粒状,但粒径不均匀.图3为AC 的X射线能量色散光谱分析图谱,表面不光滑.通过EDS分析表明AC表面元素主要为C、Fe、Si、Al、S和O.

图2 AC的SEM照片
Fig.2 SEM Photo of AC

图3 AC的X射线能量色散光谱分析图谱Fig.3 AC X-ray EDS analysis map

2.2 罗丹明B的降解

图4 不同体系对罗丹明B的去除效果Fig.4 Removal of RhB in activated different systems

2.3 PS初始浓度对罗丹明B去除率的影响

图5 PS初始浓度对降解罗丹明B效果的影响

2.4 初始pH值对罗丹明B去除率的影响

在30 ℃条件下,研究了初始pH值分别为3、5、7、9 和11对罗丹明B去除率的影响(罗丹明B质量浓度为50 mg·L-1;AC的投入量为0.8 g·L-1;PS初始浓度为0.75 mmol·L-1),如图6所示.在AC/PS体系中,150 min内pH值为3时罗丹明B的去除率最高,随着初始pH的继续增加,罗丹明B的去除率逐渐降低.

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图6 初始pH值对降解罗丹明B效果的影响

2.5 温度对罗丹明B去除率的影响

一般来说,温度是化学反应的重要影响因素,温度升高都有利于反应的进行[19].图7为不同温度对罗丹明B去除率的影响曲线图(罗丹明B质量浓度为50 mg·L-1、AC的投入量为0.8 g·L-1、PS初始浓度为1 mmol·L-1和pH值为7).随着温度的升高,罗丹明B的去除率也随之提高,但是温度在30～40 ℃之间时,随温度的升高罗丹明B去除率增加趋势变化不大.这是因为当温度升高时,一方面溶液中分子运动加快,从而提高反应物分子间的碰撞速率,加速反应进行,另一方面AC吸附有机物时需要吸收热量,因此提高温度加速了吸附过程,这两方面原因导致了罗丹明B的去除率的提高.

图7 温度对降解罗丹明B效果的影响Fig.7 Effect of temperature on the decolorization of RhB

2.6 AC的重复利用

本研究采用3次循环实验对AC的重复利用性能进行评价,实验条件为温度30 ℃、罗丹明B质量浓度为50 mg·L-1、AC的投入量为0.8 g·L-1、PS初始浓度为1 mmol·L-1和pH值为7,实验结果如图8所示.随着使用次数的增多,AC/PS体系对罗丹明B的去除率逐渐下降.第1次重复使用时,在150 min内PS/AC体系对罗丹明B的去除率达到82.23%.第3次重复使用时,在150 min内PS/AC体系对罗丹明B的去除率达到59.63%.AC表现出较好的重复利用性能.而导致去除率下降的原因有以下两方面:一方面是AC具有好的吸附性能,再次使用时,罗丹明B及其中间产物在AC上的积累,这使得PS与AC表面的活性位点接触的机会减少;另一方面PS具有强氧化性,再次使用时AC的还原性降低,从而导致AC活化PS的性能下降.

图8 AC重复使用对罗丹明B降解效果的影响Fig.8 Effect of reused AC on the decolorization of RhB

3 结 论

(1) 通过扫描电子显微镜分析,AC表面凸凹不平,呈颗粒状,表面元素主要为C、Fe、Si、Al、S和O.

(2) 单独PS体系对罗丹明B的去除效果不明显;单独AC体系对罗丹明B有一定的去除效果;结合PS/AC体系可以实现水中罗丹明B的显著地降解,表明颗粒活性炭对过硫酸盐起到了很好的活化作用.

(3) 对于PS/AC体系来说,去除率与PS初始浓度、溶液初始pH值、温度有关,初始PS浓度和初始pH对罗丹明B去除率的影响较大,而温度对罗丹明B去除率的影响较小;AC活化PS的性能随着使用次数的增加而逐渐减小,但是仍具有较好的活化性能,重复使用3次对罗丹明B的去除率还可以达到59.63%.