CN113880219A - 一种光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法 - Google Patents

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张子轩
温通
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Abstract

本发明涉及水处理技术领域和固废处理技术领域，具体涉及了一种光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，包括以下步骤：电石渣硅铁的分离及预处理：将干法电石渣经处理后得到具有磁性特征的硅铁颗粒，然后将其研磨至20‑100μm，得到硅铁粉；有机染料废水的处理：首先调节有机染料废水的pH至3‑9，然后向其加入过硫酸盐和步骤(1)得到的硅铁粉并辅以光照辐射，搅拌反应至溶液澄清即可实现废水中有机染料的降解。本发明所用的硅铁材料来源于干法电石渣，实现了尾渣资源的再利用，顺应了“以废治废”的理念，能够高效处理有机染料废水，并且工艺流程简单。此外该体系能够适应呈酸性、碱性以及偏中性的废水环境，即pH适应范围广。

Description

一种光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域和固废处理技术领域，具体涉及了一种光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法。
背景技术
近年来，随着印染、纺织、涂料等化工行业的迅速发展，我国染料的年生产量正逐步攀升。然而大约有10％-20％的染料会在生产及使用过程中以废水的形式排出，若大量未经处理的染料废水直接排放到水体，则会对生态环境造成严重危害。由于大多数有机染料均具有色度高及化学性质稳定的特点，其废水的直接排放会长时间影响水体生物的生长。较高浓度的染料废水还有着较强的生物毒性，排放到水体中会污染整个水域生态系统，从而对人类及其它生物的健康构成巨大威胁。
当前工业上处理染料废水常用的方法包括吸附法、絮凝沉淀法、高级氧化法、生物法等等。其中高级氧化技术因其处理效率高、工艺简单、适用范围广等优点在近些年来受到了广泛关注，尤其是基于过硫酸盐的高级氧化技术取得了较大的研究进展。这类技术最初是利用均相的金属离子活化过硫酸盐以产生强氧化性的硫酸根自由基(·SO4ˉ)及羟基自由基(·OH)，从而降解水中的大分子有机污染物。由于这种均相体系的药剂消耗量较大且容易产生二次污染，非均相的金属活化剂逐渐被开发利用。目前最常用的非均相活化剂为零价铁及其它铁基化合物，尽管它们具有活性强、低毒性及易分离回收的优势，但依然存在着催化稳定性较差、铁溶出率高的问题，在一定程度上限制了铁基材料在水处理领域中的应用与发展。
电石渣是工业上生产乙炔气时产生的固体废渣，其主要成分为氢氧化钙，此外还含有少量硅铁物质，其含量约为1％-3％。目前干法电石渣的处理方法主要是应用于生产水泥等建筑材料，但在该应用途径中，硅铁颗粒并没有起到较大作用，反而会对水泥的生产造成不利影响，最终导致硅铁资源的浪费。因此电石渣硅铁的分离及高值化应用是固废处理领域的一项重要课题。
硅铁作为一种具有还原性的铁基材料，理论上有着成为高级氧化技术中金属催化剂的可行性。综上所述，若能提供一种方法将电石渣硅铁运用到基于过硫酸盐的高级氧化技术中，则对于电石废渣的处置以及染料废水的处理均具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，该方法同时实现了电石渣硅铁的利用以及染料废水的高效处理，此外还具有工艺简单，pH适应范围广，催化效果稳定，铁溶出程度低及易回收利用的优点。
本发明的工作原理为：在硅铁/过硫酸盐体系中，由于硅铁颗粒具有还原性，其表面会被过硫酸盐缓慢氧化而释放少量亚铁离子，从而活化过硫酸根或过硫酸氢根离子产生自由基，此外光照辐射自身也能起到活化过硫酸盐的作用。因此在本方法中，过硫酸盐能够受到硅铁颗粒及外加光照的共同活化作用而持续产生大量的·SO4ˉ和·OH自由基，最终实现水中有机染料的高效脱色及去除。
本发明实现目的所采用的方案是：一种光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，包括以下步骤：
(1)电石渣硅铁的分离及预处理：将干法电石渣经处理后得到具有磁性特征的硅铁颗粒，然后将其研磨至20-100μm，得到硅铁粉；
(2)有机染料废水的处理：首先调节有机染料废水的pH至3-9，然后向其加入过硫酸盐和步骤(1)得到的硅铁粉并辅以光照辐射，搅拌反应至溶液澄清即可实现废水中有机染料的降解。
优选地，所述步骤(1)中，得到的硅铁粉中钙元素的质量百分数不大于3％。
一般采用干法电石渣为原料制备的硅铁粉中各元素的质量百分比为70％≤铁≤85％，10％≤硅≤25％，钙≤3％。
优选地，所述步骤(2)中，有机染料为阳离子型染料或偶氮型有机染料，所处理的有机染料废水浓度为0.5-50mg/L。
一般阳离子型染料包括亚甲基蓝，玫瑰红B等，偶氮型有机染料包括甲基橙，刚果红等。
优选地，所述步骤(2)中，过硫酸盐为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵和过硫酸氢钾中的至少一种。
优选地，所述步骤(2)中，光照辐射的波长范围为320-780nm。
优选地，所述步骤(2)中，硅铁粉的用量为0.40-0.60g/L，过硫酸盐的用量为0.25-0.75g/L。
优选地，所述步骤(2)中，搅拌转速为200-500r/min。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明所用的硅铁材料来源于干法电石渣，无需人工合成制备，有利于降低工艺成本。此外该方法提出了电石渣硅铁用于废水处理这一新颖的应用途径，实现了尾渣资源的再利用，顺应了“以废治废”的理念。
2.本发明所述的硅铁/过硫酸盐体系能够高效处理有机染料废水，并且工艺流程简单。此外该体系能够适应呈酸性、碱性以及偏中性的废水环境，即pH适应范围广。另外硅铁颗粒作为过硫酸盐的活化剂时具有很好的催化稳定性，溶出的铁离子浓度较低从而避免了过量金属离子的二次污染。
3.本发明使用的电石渣硅铁具有明显的磁性特征，这有利于废水处理后硅铁的分离及回收再利用，从而进一步降低染料废水的处理成本，并减少环境污染。
附图说明
图1为本发明实施例1-4中光照辅助电石渣硅铁降解有机染料的降解效果图；
图2为本发明实施例5中电石渣硅铁用于循环降解实验的结果图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
首先对某厂产出的干法电石渣进行风选和磁选两段分选处理，风选和磁选设备分别采用的是旋风分离器和干式磁选机。选别后得到的精矿即为硅铁颗粒，然后利用振磨机将其研磨至20-100μm粒径后备用。通过X射线荧光光谱测试得出该硅铁样品的主要元素组成如下：铁＝72.1％，硅＝20.7％，钙＝2.5％。
本实施例取100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液，并向其加入硫酸调节溶液pH至6.0。然后在输出功率为40W且波长为320-780nm的光照辐射下同时加入PMS和硅铁粉，二者的用量分别为0.25g/L和0.5g/L，以300r/min搅拌反应45min。在反应过程中，利用紫外可见分光光度计检测溶液的亚甲基蓝浓度。
该实施例中亚甲基蓝的降解效果如图1所示，可以得出该组在反应45min时亚甲基蓝的降解率为98.0％，此时溶液已基本呈现无色澄清的状态，说明了亚甲基蓝的完全去除。
实施例2
该实施例中电石渣硅铁的制备方法及元素组成同实施例1，取100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液后，向其加入硫酸调节溶液pH至3.0，然后在输出功率为50W且波长为320-780nm的光照辐射下同时加入PMS和硅铁粉，此时二者的用量均为0.5g/L，以200r/min搅拌反应45min。同样利用紫外可见分光光度计检测溶液的亚甲基蓝浓度。
该实施例中亚甲基蓝的降解效果如图1所示，可以得出该组在反应45min时亚甲基蓝的降解率可达到99.6％，同样表明了该有机染料的完全去除。
实施例3
该实施例中电石渣硅铁的制备方法及元素组成同实施例1，取100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液后，向其加入氢氧化钠调节溶液pH至9.0，然后在输出功率为60W且波长为320-780nm的光照辐射下同时加入PMS和硅铁粉，此时二者的用量分别为0.5g/L和0.6g/L，以300r/min搅拌反应45min。同样利用紫外可见分光光度计检测溶液的亚甲基蓝浓度。
该实施例中亚甲基蓝的降解效果如图1所示，可以得出在该条件下反应45min时亚甲基蓝的降解率达到了99.9％。
结合实施例1-3，可以说明该体系具有较大的pH适应范围，因此能够适用于呈酸性、碱性以及偏中性的废水环境。
实施例4
该实施例中电石渣硅铁的制备方法及元素组成同实施例1，取100mL浓度为20mg/L的甲基橙溶液后，向其加入硫酸调节溶液pH至4.0，然后在输出功率为40W且波长为320-780nm的光照辐射下同时加入PMS和硅铁粉，二者的用量分别为0.25g/L和0.5g/L，以500r/min搅拌反应45min。利用紫外可见分光光度计检测溶液的甲基橙浓度。
该实施例中甲基橙的降解效果如图1所示，可以得出在该条件下反应45min时甲基橙的降解率达到了98.7％。该实施例说明本方法同样适用于甲基橙等偶氮型染料。
实施例5
该实施例中的步骤1)与实施例1基本相同，取100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液，并向其加入硫酸调节溶液pH至6.0，然后PMS和硅铁粉的用量均为0.5g/L，其它参数与实施例1相同。当首次降解过程结束后，将其中的硅铁颗粒进行抽滤回收、去离子水洗涤、60℃干燥30-60min，然后再次用于降解新的亚甲基蓝溶液，总共进行五次循环降解实验，每次实验的参数保持一致。此外，每轮反应结束后利用原子吸收光谱仪测定各滤液的铁离子浓度。
该实施例的实验结果如图2所示，可以看到每轮实验中亚甲基蓝的降解率均达到99％以上，另外反应完成后溶液的铁离子浓度始终保持在2.0mg/L左右，经计算得出相应的铁溶出率在0.3％-0.7％范围内。图2的实验结果表明，该硅铁颗粒在本反应体系中具有良好的催化稳定性和适宜的铁溶出程度，这有利于该物质的多次循环利用，从而降低工艺成本。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电石渣硅铁的分离及预处理：将干法电石渣经处理后得到具有磁性特征的硅铁颗粒，然后将其研磨至20-100μm，得到硅铁粉；
(2)有机染料废水的处理：首先调节有机染料废水的pH至3-9，然后向其加入过硫酸盐和步骤(1)得到的硅铁粉并辅以光照辐射，搅拌反应至溶液澄清即可实现废水中有机染料的降解。
2.根据权利要求1所述的光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，得到的硅铁粉中钙元素的质量百分数不大于3％。
3.根据权利要求1所述的光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，有机染料为阳离子型染料或偶氮型有机染料，所处理的有机染料废水浓度为0.5-50mg/L。
4.根据权利要求1所述的光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，过硫酸盐为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵和过硫酸氢钾中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，光照辐射的波长范围为320-780nm。
6.根据权利要求1所述的光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，硅铁粉的用量为0.40-0.60g/L，过硫酸盐的用量为0.25-0.75g/L。
7.根据权利要求1所述的光辅助电石渣硅铁催化降解有机染料废水的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，搅拌转速为200-500r/min。
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