微波促進(jìn)硅藻土負(fù)載LaFeO3-H2O2體系快速催化降解亞甲基藍(lán)印染廢水

微波促進(jìn)硅藻土負(fù)載LaFeO3-H2O2體系快速催化降解亞甲基藍(lán)印染廢水指導(dǎo)老師：占昌朝答辯人：

A1131楊紅玲

專業(yè)：

環(huán)境工程

論文框架選題目的與意義綜述部分實(shí)驗(yàn)部分結(jié)論致謝（一）選題目的與意義

紡織工業(yè)是中國(guó)重要的傳統(tǒng)工業(yè)之一。在工業(yè)廢水中，印染廢水所占的比例較大,工業(yè)染料廢水不僅色度高，組成成分復(fù)雜，而且含有許多大分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)物及很難利用生物降解的有害物。染料生產(chǎn)的同時(shí)又具有品種多、批量少、更新快的特點(diǎn)，致使染料廢水很難找到行之有效的處理方法。

本研究旨在探討利用微波促進(jìn)硅藻土負(fù)載LaFeO3-H2O2體系快速催化降解亞甲基藍(lán)印染廢水，為現(xiàn)今工業(yè)園區(qū)印染廢水處理廠有機(jī)染料去除提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與理論依據(jù)，有利于凈化環(huán)境水體有機(jī)污染，為工業(yè)染料廢水處理提供一種新型技術(shù)。

（二）綜述部分

常見染料廢水的處理方法：物理法化學(xué)法生物法物理法膜析法：膜析法是利用天然或人工合成膜以外界能量或化學(xué)位差作推動(dòng)力對(duì)水溶液中污染物進(jìn)行分離、分級(jí)、提純、富集、回收從而達(dá)到凈化廢水的目的的方法。

吸附法：指利用多孔性固體與表面活性劑的吸附劑對(duì)染料廢水接觸，染料廢水中的有機(jī)物和金屬離子吸附并富集在其表面，以達(dá)到凈化水質(zhì)為目的的一種污水處理方法。萃取法：指某溶劑對(duì)污染物有著一定的溶解能力，當(dāng)其與廢水混合，使得大部分的污染物轉(zhuǎn)移到有機(jī)相，從廢水中分離污染物，以達(dá)到凈化效果?；瘜W(xué)法化學(xué)混凝法:化學(xué)混凝法主要是通過(guò)添加混凝劑處理廢水中的

微小懸浮固體和膠體雜質(zhì)的方法。氧化法：氧化法是目前在含染料廢水處理中運(yùn)用最為廣泛一種，主要有：光催化氧化、電化學(xué)氧化、聲化學(xué)氧化、催化濕式氧化、臭氧氧化、芬頓高級(jí)氧化。絮凝法：絮凝法主要是通過(guò)添加絮凝劑除去廢水中無(wú)機(jī)懸浮物、膠體顆粒物和低濃度有機(jī)物的方法。生物法

根據(jù)微生物具有繁殖快、來(lái)源廣、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易培養(yǎng)、易變異等特點(diǎn)，能比較容易地采集菌種進(jìn)行培養(yǎng)增殖進(jìn)行生產(chǎn)，進(jìn)行馴化，以使其能夠適應(yīng)有毒的工業(yè)廢水，通過(guò)它們的新陳代謝使污水凈化。硅藻土的研究現(xiàn)狀及運(yùn)用硅藻土的定義及種類硅藻土的化學(xué)組成硅藻土的微孔結(jié)構(gòu)硅藻土在廢水處理中的機(jī)理微波技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用微波加熱的原理微波技術(shù)在水污染處理中應(yīng)用

（1）微波的誘導(dǎo)催化技術(shù)（2）微波再生技術(shù)處理廢水（3）微波技術(shù)在廢水處理中存在的問(wèn)題（三）實(shí)驗(yàn)部分研究?jī)?nèi)容：

本文研究了微波促進(jìn)硅藻土負(fù)載LaFeO3-H2O2體系快速催化降解亞甲基藍(lán)印染廢水的新型處理技術(shù)。主要步驟如下:（1）收集相關(guān)資料，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)研究的目的進(jìn)行資料分析，得到一套切實(shí)可用的方案。（2）根據(jù)確定的方案，進(jìn)行以硅藻土為負(fù)載的LaFeO3催化劑的制備。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證pH值、微波功率、反應(yīng)時(shí)間、H2O2的量及硅藻土負(fù)載LaFeO3投量對(duì)廢水脫色效果的影響，確定最適反應(yīng)條件。（3）比較單獨(dú)微波處理法、單獨(dú)LaFeO3處理法、微波-H2O2處理法、微波-LaFeO3@KG、水浴加熱-LaFeO3@KG-H2O2處理法、微波-LaFeO3@KG-H2O2處理法處理催化降解亞甲基藍(lán)印染廢水的效果。（4）將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。試劑與儀器

儀器:

FA1604N電子天平，可見分光光度計(jì)，PHS-3C型pH計(jì)，SXHW型磁力恒溫?cái)嚢杵?，上海精密科學(xué)儀器有限公司實(shí)驗(yàn)采用改造的家用微波爐。試劑:

亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為20mg/L、硅藻土（SiO2·nH2O）、硝酸鑭（

La(NO3)3·nH2O）、檸檬酸（

C6H8O7·H2O）、HCl、H3PO4、H2O2、等。實(shí)驗(yàn)方法

將50ml亞甲基藍(lán)模擬廢水加入到100ml的錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH，加入適量的LaFeO3@KG和H2O2處，放入到帶有回流裝置的微波爐中，設(shè)定規(guī)定的功率和相應(yīng)的微波時(shí)間，反應(yīng)完全后取出，呆冷卻至室溫時(shí)開始真空抽濾，濾液放入到磁力恒溫?cái)嚢杵鲾嚢枰环昼?，稀釋一定的倍?shù)，用分光光度計(jì)在亞甲基藍(lán)最大吸收波長(zhǎng)（λ=664nm）處測(cè)定降解后吸光度A和初始亞甲基藍(lán)模擬廢水溶的吸光度A0，使用公式D%=（A0-A/A0）×100%來(lái)計(jì)算脫色率。（一）不同初始pH對(duì)脫色率的影響

pH為6時(shí)，亞甲基藍(lán)溶液的脫色率達(dá)到第一個(gè)高峰，pH為11的達(dá)到第二個(gè)高峰。該溶液中，除了H2O2可分解出·OH外，在酸性條件下，溶液中溶出大量的Fe3+，F(xiàn)e3+與H2O2反應(yīng)產(chǎn)生Fe2+，F(xiàn)e2+可催化氧化H2O2生成·OH，而表面催化主要是產(chǎn)生·OH反應(yīng)，促進(jìn)亞甲基藍(lán)色度的去除。加上降解前初始溶液的pH也是偏酸性的，所以綜合考慮，取溶液初始pH為6。（二）微波功率對(duì)亞甲基藍(lán)脫色率的影響

分析左圖可以得出，在280W前，隨著微波功率升高，甲基橙脫色率也越來(lái)越高，在280W到700W之間，甲基橙脫色率變化不大。微波功率越大，溫度升高的越快，有碰撞機(jī)理可知，溫度升高，會(huì)增加分子間的有效碰撞，提高LaFeO3催化劑的活性，有利于催化氧化反應(yīng)的進(jìn)行，達(dá)到最終提高脫色率的效果。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和最終效果，確定微波功率為280W。（三）LaFeO3@KG的投加量對(duì)亞甲基藍(lán)脫色率的影響

當(dāng)LaFeO3@KG催化劑的用量為0.03-0.09g時(shí)，隨著催化劑投加量的增加，亞甲基藍(lán)脫色率越高，這是因?yàn)長(zhǎng)aFeO3@KG催化劑的增加可以增強(qiáng)H2O2分解的活性位，溶液中產(chǎn)生更多的羥基自由基，提高了H2O2的利用率。另外，LaFeO3@KG催化劑的增加，為反映體系增加了有效碰撞的機(jī)會(huì)，使反應(yīng)進(jìn)行的更徹底。

當(dāng)用量達(dá)到0.15g以上后，繼續(xù)增加LaFeO3@KG催化劑用量，亞甲基藍(lán)脫色率變化不明顯。綜合考慮，LaFeO3@KG的投加量以0.09g為宜。（四）

H2O2的用量對(duì)亞甲基藍(lán)脫色率的影響

H2O2的量在0.05mL-0.3mL之間，亞甲基藍(lán)模擬廢水的脫色率一直保持上升狀態(tài)，因?yàn)镠2O2是產(chǎn)生·OH的主要物質(zhì)，雖則H2O2的投加量直接影響到·OH的產(chǎn)生，即H2O2的用量越多，反應(yīng)的速率越快，廢水的色度去除率也就增加的越明顯。

但當(dāng)H2O2增加到0.3mL時(shí)，亞甲基藍(lán)模擬廢水脫色率反而降低，這是由于在催化氧化過(guò)程中過(guò)量的H2O2與產(chǎn)生的羥基自由基發(fā)生反應(yīng)生成了H2O和O2，消耗了部分·OH，使亞甲基藍(lán)模擬廢水脫色率下降?？紤]到最終效果及操作的經(jīng)濟(jì)性，H2O2的用量以0.15mL為宜。（五）微波時(shí)間對(duì)亞甲基藍(lán)脫色率的影響

從左圖可知，當(dāng)微波輻射時(shí)間為3分鐘時(shí)，亞甲基藍(lán)模擬廢水的脫色率最高，之后，隨著時(shí)間的增加，脫色率基本趨于穩(wěn)定，考慮到工作效率與經(jīng)濟(jì)效益，確定最佳時(shí)間為3min。（六）不同處理方式對(duì)亞甲基藍(lán)脫色率的影響

從圖中看出，綜合使用LaFeO3和硅藻土的脫色效果比單獨(dú)使用明顯高了很多，兩者產(chǎn)生了協(xié)同作用。微波也有促進(jìn)硅藻土都LaFeO3的吸附，整個(gè)模擬廢水處理體系的脫色率高達(dá)97.77%，具有很高的研究?jī)r(jià)值。催化劑的表征催化劑的SEM圖：

圖1（a）LaFeO3催化劑的SEM圖

圖1（b）使用前LaFeO3@KG催化劑的SEM圖

圖1（c）使用后LaFeO3@KG催化劑的SEM圖

圖1分別經(jīng)高倍顯微鏡放大后的的催化劑、使用前過(guò)的LaFeO3@KG催化劑、使用后的LaFeO3@KG催化劑的LaFeO3掃描電鏡圖。圖1（a）為L(zhǎng)aFeO3的SEM圖，可以看出LaFeO3呈無(wú)規(guī)則球狀，表面光滑，呈現(xiàn)三維有序大孔結(jié)構(gòu)，符合鈣鈦礦型復(fù)合氧化物（ABO3）的性質(zhì)。圖1(b)為使用前的LaFeO3@KG的SEM圖，可以看出LaFeO3@KG呈塊狀，表面均勻分布著許多微孔。圖1(c)為使用后的LaFeO3@KG的SEM圖，可以看出活性炭的表面微孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部填滿了LaFeO3。兩圖對(duì)比可看出：負(fù)載前后LaFeO3@KG形體幾乎一樣，沒有被破壞。說(shuō)明負(fù)載過(guò)程溫和，沒有對(duì)LaFeO3@KG的微孔結(jié)構(gòu)造成影響。

催化劑的EDS表征：

圖2(a)LaFeO3催化劑的EDS圖

圖2(b)使用前LaFeO3@KG催化劑的EDS圖

圖2(c)使用后LaFeO3@KG催化劑的EDS圖

圖2是LaFeO3催化劑和LaFeO3@KG催化劑在優(yōu)化條件使用前后的EDS圖，a圖譜表明，LaFeO3催化劑的組成元素為Fe、O、La，這與IR的測(cè)試結(jié)果相同。從b、c圖譜看出，LaFeO3@KG催化劑由Fe、La、C、Si、Ca、Mg、O等元素組成，其中的C元素是烘培制取LaFeO3@KG催化劑是檸檬酸沒有完全反應(yīng)，而C元素在處理后增加是因?yàn)閬喖谆{(lán)沒有反應(yīng)完全。其余催化劑原子有部分流失，但是總D體是保持穩(wěn)定，表明LaFeO3@KG催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，重復(fù)使用性能好。

催化劑的IR表征結(jié)果：

圖3（a）硅藻土的紅外光譜

圖3(b)處理前后催化劑的紅外光譜

圖3（a）為硅藻土的紅外光譜圖，從圖中可以看出，位于最高處1429cm-1處峰為-Si-O-Si-(硅氧烷基團(tuán))，729cm-1和876cm-1處的峰為SiO-H的基團(tuán)振動(dòng)峰。，圖3（b）表示催化劑LaFeO3的紅外光譜圖，a譜線中662cm-1是LaFeO3的特征吸收峰,1111cm-1、1446cm-1分別是Fe-O、La-O鍵的伸縮振動(dòng)峰，結(jié)果與XRD相同。b、c譜線為處理前后催化劑LaFeO3@KG的紅外光譜圖，硅藻土在波數(shù)為1423cm-1、713cm-1、876cm-1處吸收峰的個(gè)數(shù)、峰位、半峰寬沒有明顯變化，此結(jié)論與XRD一致。此外，在波數(shù)為3696cm-1處的吸收峰為吸附水的O-H伸縮振動(dòng)峰。

催化劑的XRD表征結(jié)果:

左圖為處理前后催化劑的XRD圖，其中a、b、c分別表示LaFeO3、處理前LaFeO3@KG、處理后LaFeO3@KG的X射線衍射圖。從圖中可以看到LaFeO3在2θ=22.6°，32.2°，39.6°，46.1°，57.3°，67.3°，76.6°，85.5°處出現(xiàn)特征衍射峰，說(shuō)明LaFeO3具有較為完整的較完整晶型。LaFeO3與處理前LaFeO3@KG相比，在2θ=29.4,34.2,37.7處出現(xiàn)明顯的衍射峰的個(gè)數(shù)增加、峰位增多，半峰寬加大的現(xiàn)象，這些都是硅藻土負(fù)載表現(xiàn)出來(lái)的衍射峰。說(shuō)明處理前后LaFeO3@KG在2θ=22.6°，32.2°，39.6°，46.1°，57.3°，67.3°，76.6°，85.5°處的衍射峰的個(gè)數(shù)、峰位、半峰寬沒有明顯變化，說(shuō)明處理前后，對(duì)LaFeO3@KG的粒子大小、結(jié)晶度和晶型等沒有明顯影響。

（四）

結(jié)論（1)通過(guò)UV-LaFeO3@KG-H2O2的協(xié)同作用，催化氧化降解亞甲基藍(lán)模擬廢水的實(shí)驗(yàn)，探討了多種因素對(duì)亞甲基藍(lán)廢水脫色效果的影響，獲得了最佳工藝條件：初始pH為6，LaFeO3@KG的投加量為0.09g，H2O2的用量為0.15mL，，在微波輻射條件下，亞甲基藍(lán)的脫色率高達(dá)97.77%，該處理印染廢水體系具有很高的使用價(jià)值。

（2）催化劑LaFeO3@KG具有較好的重復(fù)使用性能，使用5次后，亞甲基藍(lán)的脫色率仍高于50%，說(shuō)明這種催化劑的重復(fù)使用性能較好。