陶健橋,王宇琴,張芷夢,郎笛
(昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650500)
隨著工業(yè)迅猛發(fā)展,水污染問題日益嚴重[1-5]。高級氧化技術(shù)——Fenton技術(shù)在工業(yè)水處理方面有較大潛力[6-9]。然而傳統(tǒng)Fenton反應(yīng)中H2O2分解效率仍處于很低的水平(<30%),為了提高反應(yīng)速率,往往需要加入大量的H2O2(30~6 000 mmol/L)和Fe2+(18~410 mmol/L)以生成足夠高濃度的羥基自由基,反應(yīng)成本高,高濃度的鐵離子還容易生成“鐵泥”引起催化反應(yīng)中毒[4,10-12]。為此,本研究引入MoS2作為電-Fenton反應(yīng)的助催化劑,探討Fenton試劑的濃度和MoS2用量以及操作方式對甲基橙降解反應(yīng)速率和產(chǎn)率所產(chǎn)生的影響,探究最佳工藝條件。采用紫外光譜表征方法進一步對整個催化反應(yīng)的機理以及成分變化進行說明,可為電Fenton工藝的改進提供參考。
七水合硫酸亞鐵、30%過氧化氫、二硫化鉬(98%,Aladdin)、一水合鄰菲羅啉、無水硫酸鈉、硫氰酸鉀、氫氧化鈉均為分析純;鹽酸,優(yōu)級純;固體甲基橙,標(biāo)準(zhǔn)品。
MS1003D電源設(shè)備;85-2A恒溫磁力攪拌器;UV-1700紫外分光光度計;HZK-FA110S電子天平。
在100 mL濃度為30 mg/L甲基橙水溶液中加入適量的MoS2(粒徑<2 μm)和0.002 g的七水合硫酸亞鐵,在磁力攪拌下使其充分融入在溶液中,用1 mol/L的HCl對溶液進行調(diào)節(jié),使溶液的pH值在3~4之間,向溶液中加入1 mL的H2O2(質(zhì)量分數(shù)10%)發(fā)生反應(yīng),將上述反應(yīng)置于電壓為10 V,電流為0.04 A的電解環(huán)境中,在設(shè)定的時間間隔采用紫外分光光度計測定染料溶液的濃度。
為探索FeSO4·7H2O用量對甲基橙降解的影響。選擇H2O2濃度為1.11 mg/mL,控制pH在3~4之間,MoS2的濃度在0.1 g/L,并控制電壓為10 V,電流為0.04 A,設(shè)置FeSO4·7H2O濃度為10,20,30,40,50 mg/L,并測定溶液在不同時間間隔的濃度,計算濃度比(C/C0),結(jié)果見圖1。
圖1 不同F(xiàn)eSO4·7H2O濃度下甲基橙的降解情況Fig.1 Degradation of methyl orange under different concentration of FeSO4·7H2O
由圖1可知,濃度很低的硫酸亞鐵也能影響反應(yīng)的結(jié)果,10 mg/L時一開始的濃度下降速率就很快,最終可以達到0.281左右,而20 mg/L時濃度下降速率更明顯,在10 min時就已達到10 mg/L時的最終效果,最終濃度比可達0.160,意味著溶液中有83.9%的甲基橙被降解。而當(dāng)繼續(xù)加大硫酸亞鐵時,降解效果均比10 mg/L好,但都達不到20 mg/L的效果,且結(jié)果比較接近,均在0.20左右。這是因為當(dāng)加入FeSO4時,溶液中可以發(fā)生MoS2與Fe的還原,即便是很低濃度的Fe2+也可以對反應(yīng)產(chǎn)生很大的促進作用,提高了 Fe2+的利用率,與其他Fenton方法相比,這一催化技術(shù)具有很強的競爭力,它既可以保證較高水準(zhǔn)的Fe2+濃度,還可以使該反應(yīng)的總體效率得到提高,能夠達到工藝生產(chǎn)中所需要的最佳降解效果,將亞鐵離子維持在20 mg/L左右。
羥基自由基是通過溶液中的H2O2產(chǎn)生而來的,在實際工藝生產(chǎn)應(yīng)用中,必須做到H2O2不過量,同時還要將反應(yīng)物的濃度保證在較高的水平上,只有這樣才能更好地防止二次污染以及保證工藝生產(chǎn)的有效進行。
本組實驗采用質(zhì)量分數(shù)10%的H2O2,并從0.5 mL開始遞增,分別加入體積為0.5,1,2,3 mL的H2O2,對應(yīng)濃度分別為0.555,1.11,2.22,3.33 mg/mL其他條件不變,測定反應(yīng)在不同時間間隔的紫外光譜的濃度比見圖2。
圖2 不同濃度過氧化氫條件下甲基橙的降解情況Fig.2 Degradation of methyl orange under different concentration of H2O2
由圖2可知,MoS2催化下的反應(yīng)速率很快,在5 min內(nèi)就可達到60%左右的降解率。加入2,3,4 mL 時盡管也能有比較好的分解表現(xiàn),但整體效率未達到最大化且區(qū)別不大,證明在已實驗的條件下,選擇H2O2濃度為1.1 mg/mL較合理。
為了探究MoS2不同濃度對反應(yīng)結(jié)果的影響,在其他條件不改變的情況下,將溶液配成0.05,0.1,0.2,0.3 g/L,通過紫外分光光度法測定其在0,5,10,20,30,40,50,60 min的吸光度,結(jié)果見圖3。
圖3 不同MoS2濃度下甲基橙的降解情況Fig.3 Degradation of methyl orange under different concentration of MoS2
由圖3可知,該反應(yīng)的分解速率的變化趨勢無明顯變化,但可以明顯看出該反應(yīng)的分解率具有很大的差異。當(dāng)MoS2濃度為0.1 g/L時,吸光度下降非常明顯,最后分解速率保持在0.160,0.05 g/L組最后也降到了0.162,但在前期速率較慢。而對于0.2 g/L和0.3 g/L兩組,相差也不是很大,最后都趨于0.3左右,且變化趨勢從中期開始大部分重合。
為了探究MoS2在該反應(yīng)中所產(chǎn)生的催化作用,也在相同條件下進行了有無MoS2助催化的實驗對比見圖3。結(jié)果顯示,加入MoS2的溶液明顯要比沒有加入MoS2的溶液催化效率高得多,在相同反應(yīng)時間內(nèi),如60 min時測定其濃度比,加入MoS2的溶液的分解率與沒有加入MoS2的溶液的分解率之間相差22.3%。由此可知,加入MoS2能夠促進Fenton反應(yīng)的發(fā)生。
在整個MoS2-Fenton體系中,反應(yīng)的效果會受到pH的影響,甚至可以說其決定著該反應(yīng)的反應(yīng)效果,MoS2作為該反應(yīng)的共催化劑,它發(fā)生質(zhì)子化所產(chǎn)生的H2S保證了羥基自由基的產(chǎn)生,但對于Fenton反應(yīng)本身來說,不同的酸度下Fe的存在形態(tài)是有所不同的,因此設(shè)置pH梯度為1.5,3.5,5.5,7.5,其他條件不變,分別測定在3,10,30,60 min下的濃度比,結(jié)果見圖4。
圖4 不同pH下甲基橙的降解情況Fig.4 Degradation of methyl orange under different pH
由圖4可知,反應(yīng)的程度和反應(yīng)的速率都受到了溶液中羥基自由基的影響,pH在1~4之間該反應(yīng)的速率和效率沒有明顯變化,并且轉(zhuǎn)化率能夠達到85.5%,但當(dāng)pH>4時,該反應(yīng)的速率和效率呈明顯下降趨勢,溶液不再呈堿性,而當(dāng) pH=7.5時反應(yīng)3 min下濃度比為0.893,反應(yīng)到60 min時,濃度比為0.792,轉(zhuǎn)化率則下降為20.8%。
2.5.1 無機助催化劑共催化Fenton反應(yīng) MoS2作為Fenton產(chǎn)生羥基自由基步驟的催化劑而存在,溶液中已被H2O2氧化的Fe3+被MoS2還原回Fe2+,同時Mo4+變?yōu)镸o6+,而不飽和S原子被溶液中的質(zhì)子捕捉出來,形成H2S,其機理見圖5。
圖5 MoS2作為電Fenton體系助催化劑的機理Fig.5 Mechanism of MoS2 as a co-catalyst in electro-Fenton system
由圖5可知,這一變化過程加快Fe3+/Fe2+這一速控步的轉(zhuǎn)化,在整個催化過程中所產(chǎn)生的Fe2+又循環(huán)用于分解H2O2,因此大大提高了整個催化過程的總體效率和資源的利用率。這一技術(shù)對目前基于H2O2的Fenton反應(yīng)有著極大的提升。
為進一步探究不同操作方式對甲基橙的降解情況,選擇4組不同條件下的Fenton實驗作為對比,分別是單一電極組(無Fenton試劑,無催化,只有電解)、傳統(tǒng)Fenton(只加Fenton試劑,無電解,無催化)、電Fenton組(有Fenton試劑,有電解,無催化)、助催化劑電Fenton組(有Fenton試劑,有電解,有催化),結(jié)果見圖6。
圖6 傳統(tǒng)Fenton與電催化Fenton的效率比較Fig.6 The efficiency comparison of traditional Fenton and electro-Fenton
由圖6可知,4組的分解速率依次升高,可以明顯看出助催化劑電Fenton組的降解率最高。
利用鄰菲羅啉分光光度法測定有/無助催化劑條件下的Fe2+濃度變化,結(jié)果見圖7。
圖7 有無助催化劑時的電Fenton系統(tǒng)中Fe2+濃度變化Fig.7 The concentration variation of Fe2+ in electro-Fenton system
由圖7可知,在加入助催化劑后Fe2+的濃度突然升高并逐步趨于穩(wěn)定。
前文有提到Fenton技術(shù)目前面臨的困境之一便是H2O2的量使用過多。通過前面的機理介紹和數(shù)據(jù)對比,可以看出無機助催化劑的加入進一步提高了Fenton反應(yīng)的效率,使得短時間內(nèi)的降解率有了顯著的升高,換而言之,縮短了溶液的降解時間。為此,選取了兩組具有代表性的數(shù)據(jù),見表1。
表1 助催化劑的加入對過氧化氫用量的影響Table 1 The influence of the addition of co-catalyst on the amount of H2O2
由表1可知,加入0.5 mL H2O2和助催化劑后,在40 min處就可實現(xiàn)加入1 mL H2O2但不加助催化劑組在60 min處的降解效果,證明助催化劑的加入可以有效降低H2O2的使用量,并有效縮短降解時間。
2.5.2 紫外吸收光譜分析 選擇H2O2濃度為1.11 mg/mL,控制pH在3~4之間,MoS2的濃度在0.1 g/L,并控制電壓為10 V,電流為0.04 A,F(xiàn)eSO4·7H2O濃度為20 mg/L的組合,使用紫外分光光度計對其進行掃描,掃描范圍為150~600 nm,掃描間隔為1.0 nm,光程為10 nm,光譜帶寬為1.8 nm,并選擇340 nm的光源,結(jié)果見圖8。
圖8 不同降解時間下的紫外光譜圖Fig.8 The UV spectra under different time interval
由圖8可知,每組樣品的峰值在不同時間間隔內(nèi)有明顯的梯度變化。5 min后的樣品吸光度峰值有突變,但之后4組的變化相對而言不是特別突出,說明溶液的吸光度在逐步趨于穩(wěn)定中。
本文通過對共催化Fenton反應(yīng)深入探索,驗證了MoS2這種共催化劑的高效性,該反應(yīng)的反應(yīng)條件簡單容易操作,在該體系的基礎(chǔ)上根據(jù)反應(yīng)條件的不同,深入研究了反應(yīng)物的量對反應(yīng)結(jié)果的影響,試圖為工藝生產(chǎn)和工藝條件提供指導(dǎo)。以甲基橙為待降解物質(zhì),通過紫外吸光光度法測定溶液濃度比,通過濃度比變化反應(yīng)物質(zhì)降解程度。
實驗結(jié)果表明,在MoS2作助催化劑的Fenton反應(yīng)體系中,當(dāng)甲基橙30 mg/L時,反應(yīng)初始借助機械攪拌做初步混合,電壓為10 V,電流為0.04 A,選擇H2O2濃度為1.11 mg/mL,F(xiàn)e2+濃度為20 mg/L,控制pH在3~4之間,MoS2的濃度為0.1 g/L,甲基橙在30 min之內(nèi)的去除率可達83.9%,此時甲基橙濃度為4.83 mg/L。
MoS2這一類金屬硫化物作為共催化劑的體系是近來剛被發(fā)現(xiàn)的體系,如WS、PbS、ZnS等都有類似而顯著的催化效果,且催化機理相近,這一體系為大量的工藝生產(chǎn)提供了切實可行的研究方法。