论文作者：王鑫华 陈建林 杨 凯 李启良
摘要：论述了二氧化氯催化氧化处理染料模拟废水的处理效果，研究了影响催化氧化的几个主要因素。试验结果表明，在自制催化剂作用下，ClO2催化氧化处理三种染料模拟废水的CODCr平均去除率达88.6%。通过催化氧化实验确定了ClO2催化氧化处理三种染料模拟废水的最佳工艺条件为：氧化剂用量为0.2 mg/mL，pH=3～7，催化剂4.0 g，反应时间45 min。催化剂可以重复使用5～6次以上。
关键词：二氧化氯 染料模拟废水 催化氧化
催化氧化法是近年来发展起来的水处理高级氧化技术之一，它是在化学氧化法的基础上改进、发展起来的，并逐渐成为研究的一个热点。利用催化氧化法处理印染、染料废水的报道很多[1～9]。常用的氧化剂有O3、H2O2、NaClO3及ClO2等，其中，二氧化氯是一种新型高效氧化剂，在水处理氧化消毒及造纸、纸浆工业的漂白等行业使用较为广泛，对染料废水也具有很好的脱色效果[3]。本文以二氧化氯作氧化剂，自制催化剂，催化氧化处理几种染料模拟废水，取得了满意的效果。
1 实验部分
1.1 实验药品与材料
硝酸铜、硝酸镍、硝酸锌、硝酸锰、硝酸钾(AR)；氢氧化钠与浓盐酸(AR)；粒状活性炭（北京光华活性炭厂），γ-Al2O3(AR)。
本实验采用配制的染料模拟废水，活性艳蓝（模拟废水Ⅰ），其Cr为598 mg/L；阳离子艳红X-5GN（模拟废水Ⅱ），其Cr为645 mg/L；分散兰2BLN（模拟废水Ⅲ），其Cr为682 mg/L。
采用化学法[3]制取一定浓度的二氧化氯水溶液。
1.2 催化剂的制备
（1）活性炭为载体催化剂：活性炭用浓度为6%的硝酸盐溶液浸渍24 h，抽滤出浸余液，水洗后晾干，然后在85 ℃下干燥2 h并置于120 ℃烘箱6 h后，放于260～300 ℃马弗炉中恒温12 h，得7种催化剂分别为1＃Mn/AC、2＃Ni/AC、3＃Zn/AC、4＃Cu/AC、5＃Cu-Ni/AC、6＃Cu-Ni-K/AC、7＃AC。
（2）γ-Al2O3为载体催化剂：浸渍过程与活性炭载体催化剂相同，将负载后的载体在85 ℃下干燥12 h，在450 ℃下灼烧4 h，得2种催化剂为：8＃Zn-Ni/γ-Al2O3、9＃Ni/γ-Al2O3。
1.3 实验步骤
（1） 二氧化氯化学氧化实验：不加催化剂，直接用二氧化氯氧化处理染料模拟废水，重点考察反应时间、溶液的pH及氧化剂用量对氧化处理效果的影响。
（2）催化剂的筛选实验：将自制的九种催化剂与二氧化氯组成催化氧化体系，对染料模拟废水进行催化氧化处理实验，筛选最佳的催化剂。
（3） 催化氧化实验：重点考察催化剂投加剂量、氧化剂投加量、溶液的pH、反应时间对模拟废水的催化氧化处理，确定最佳工艺条件。
2 结果与讨论
2.1 二氧化氯化学氧化实验结果与讨论
取三种模拟废水，投加不同剂量的二氧化氯溶液，调节反应的pH，在室温下振荡反应一段时间，测定反应后溶液的Cr值，计算Cr去除率。确定了最佳的工业条件为：二氧化氯投量2.0%（1.0%的水溶液）、反应时间60 min、反应的pH为3～5。在此工艺条件下重复实验5次，结果见表1。
表1 化学氧化模拟废水实验结果
| 模拟废水 | Cr去除率/% |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均 |
| 模拟废水Ⅰ | 21.4 | 20.9 | 20.7 | 21.8 | 21.2 | 21.2 |
| 模拟废水Ⅱ | 22.0 | 22.4 | 22.9 | 23.1 | 22.3 | 22.5 |
| 模拟废水Ⅲ | 24.3 | 24.7 | 24.5 | 24.8 | 25.1 | 24.7 |
从表1数据说明，二氧化氯氧化模拟染料废水处理效果稳定，但Cr去除率较低，且对三种不同的染料废水没有明显差异。
2.2 催化氧化实验的实验结果与讨论
2.2.1 催化剂优选实验
分别取模拟废水Ⅰ和Ⅱ各100 mL，投加二氧化氯溶液2 mL（1.0%的水溶液）和自制催化剂（浸渍染料废水）4.0 g，调节水样的pH＝3～5，室温下振荡反应60 min。测定反应后的Cr值，计算Cr去除率，结果见表2。
从表2结果可知，加入催化剂对模拟废水进行催化氧化的效果良好，Cr去除率明显升高，除1＃Mn/AC和7＃AC外，对模拟废水Ⅰ和模拟废水Ⅱ的Cr去除率均在70%以上，特别是2＃(Ni/AC)催化剂对两种模拟废水的Cr去除率率最好，分别达83.6%和88.5%。因此，确定2＃(Ni/AC)催化剂为最佳催化剂。
表2 催化剂筛选实验结果
催化剂 | 模拟废水Ⅱ | 模拟废水Ⅰ |
Cr/(mg·L-1) | 去除率/% | Cr/(mg·L-1) | 去除率/% |
1＃ 2＃ 3＃ 4＃ 5＃ 6＃ 7＃ 8＃ 9＃ | 357 74 178 160 148 127 410 190 119 | 44.6 88.5 72.4 75.2 77.0 80.3 36.4 70.7 81.6 | 343 98 134 121 141 129 410 181 127 | 42.6 83.6 77.6 79.8 76.4 78.4 31.5 69.7 78.7 |
2.2.2 催化剂最佳投加量分析
分别投加不同量的2＃(Ni/AC)催化剂，结果得知催化剂投加在0.03～0.06 g/mL时，效果最好。本文选择0.04 g/mL作为最佳投加量。
2.2.3 反应pH对处理效果的影响
分别取三种模拟废水100 mL，加入4.0 g 2＃(Ni/AC)催化剂，投加2 mL二氧化氯溶液，调节水样的pH后，常温下振荡反应60 min，测定反应后模拟废水的Cr值，计算相应的去除率，结果见图1。
从图1可知，模拟废水Ⅰ与Ⅲ的Cr去除率变化不大，在pH 3～5内，Cr去除率最大；对模拟废水Ⅱ，去除率随pH增大而增大，当pH＝6.64时，出现最大值。综合考虑，确定pH在3～7为最佳条件。
2.2.4 氧化剂用量对处理效果的影响
分别取三种模拟废水100 mL，加入4.0 g 2＃(Ni/AC)催化剂，调节模拟水样的pH＝4左右，投加不同量的氧化剂，常温下振荡反应60 min，实验结果见图2。
从图2可知，在氧化剂二氧化氯用量小于20 mg（100 mL模拟废水）时，三种模拟废水的Cr去除率随氧化剂用量增加而快速上升；大于20 mg后，Cr的去除率变化不大。由此确定氧化剂的最佳投加量为20 mg（100 mL模拟废水）。
2.2.5 反应时间对处理效果的影响
分别取三种模拟废水100 mL，加入4.0 g 2＃(Ni/AC)催化剂、20 mg二氧化氯氧化剂，调节pH=4下，常温下振荡反应不同时间，结果见图3。
图3中三个反应15min内去除率增加迅速，在15～45 min时间段，Cr去除率增加变缓，反应45 min后，Cr去除率增长不大。由此可以确定实验的最佳反应时间在45 min。
2.2.5 最佳条件下重复实验
在以上确定的最佳实验条件（即二氧化氯量为20 mg、pH=3～7、2#催化剂4.0 g、反应时间45 min）下，对模拟废水Ⅱ重复进行了5次实验，Cr平均去除率为88.6%，结果表明废水处理稳定。
2.2.6 催化剂重复使用实验
在上述确定的最佳条件下，对模拟废水Ⅲ重复实验9次，实验结果如图4。
从图4中结果可知，催化剂重复使用4次，Cr去除率均在88.4%以上，第6次以后，去除率明显下降，重复使用8次时，Cr去除率只有64.3%，说明催化剂已经部分失活。
3 结 论
（1）ClO2催化氧化对三种模拟废水均有较强的Cr去除能力，在氧化剂投加量相同条件下，对比化学氧化，Cr去除率由平均24.3%提高到88.6%，催化氧化效果明显。
（2）通过对自制催化剂的优选实验，确定了ClO2催化氧化法处理模拟废水最佳催化剂为2# Ni/AC，在此催化剂作用下，ClO2对三种染料模拟废水均有较好的氧化效果，Cr平均去除率为88.6%。
（3）通过催化氧化实验确定了ClO2催化氧化处理三种染料模拟废水的最佳工艺条件为：氧化剂用量为0.2 mg/mL，pH=3～7，催化剂4.0 g，反应时间45 min。催化剂可以重复使用5～6次以上。
参考文献
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