超声波光催化降解对氨基苯磺酸废水的研究

第23卷第3期新余学院学报Vol.23，N0.32018年6月JOURNALOFXINYUUNIVERSITYJun.2018超声波-光催化降解对氨基苯磺酸废水的研究•钟先锦，刘修树，方丽波，贾贞贞(合肥职业技术学院生物系，安徽巢湖238000)摘要：采用超声波-纳米Ti02光催化协同降解对氨基苯磺酸废水，考察了溶液初始pH、初始浓度、降解时间、催化剂用量、不同降解工艺等对溶液降解效果的影响。结果表明，利用超声波-光催化法能够有效降解对氨基苯磺酸废水，二者具有协同作用在中性条件下，当纳米Ti02的投入量达0.06g/L、紫外光强20|xW/cm2、声波功率为80W、频率为20kHz，2小时后降解率可达93.87%关键词：超声波；光催化；对氨基苯磺酸；降解中图分类号：X505文献标识码：A文章编号=2095-3054(201803-0018-04对氨基苯磺酸是一种被广泛应用于生产染料、医药、食品、农药等化工产品的重要中间体，同时也是一种偶氮染料脱色后的中间产物U^。含有氨基或磺酸基类的芳香族化合物大多具有“致畸、致癌、致突变”的危害。H前，国内外已有学者培养出能够以对氨基苯磺酸为营养源的菌群或菌株。王艳青U_等从城市污水处理厂污泥中成功培养出Parmonibact-er菌属的菌株，该菌株能较好地降解对氨基苯磺酸。吴楚U也从受污染的河水中成功分离出能够降解芳香类化合物的菌株。同时，也有学者采用化学或物理法处理对氨基苯磺酸。黄沛瑜[5采用的乳状液膜法、王玉军M等的膜萃取法、罗学辉等的络合萃取法和孙越:S]等的树脂吸附法等都能不同程度的降解对氨基苯磺酸。采用生物法和传统的化学法在一定程度能降解对氨基苯磺酸，但能耗大、产生的污泥处理难、易产生二次污染。因此，寻求一种较好的方法处理对氨基苯磺酸具有实际意义。光催化降解和超声波降解有机污染物是H前研究较多的高级氧化法在光催化反应过程中，大分子有机物被催化剂氧化成小分子无机物，实现无害化U1超声波降解具有特殊的物理效应，超声波空化泡会产生高温、高压，能够促进一些常规条件下无法完成的反应U3。本文探索并研究了超声波联合光催化降解对氨基苯磺酸的动力学及影响因素，为处理实际工程废水提供基础数据。1材料与方法1.1仪器、材料与实验装置纳米Ti02(锐钛矿型，粒径为40nm，靖江市通高化工有限公司），对氨基苯磺酸（分析纯，天津市津北精细化工有限公司），氢氧化钠（分析纯，天津光复科技发展有限公司）。超声波振动棒（邯郸市海拓机械有限公司），高压汞灯（昆山蓝普特机电设备有限公司），液相色谱仪（日本岛津LC-16)，PHS-2C型精密酸度计（上海雷磁仪器厂）。实验装置示意阁如阁1所示。1.2实验方法向反应器中加人一定质量浓度的对氨基苯磺酸溶液，再加人一定质量的纳米Ti02，调节溶液酸度、高压汞灯光强、超声波振动棒频率、回流泵流量，搅拌溶液使之充分混合。每隔15min取样一次，样品放收稿日期=2018-04-01基金项目：安徽省教育厅2016年自然科学研究重点项目“超声波-光催化联合降解水溶液中对氨基苯磺酸的研究”(KJ2016A620);安徽省教育厅2016年自然科学研究重点项目“海金沙不同溶剂提取物对大鼠烫伤创面愈合效果对比及效果成分相关性研究”（KJ2016A614);安徽省教育厅2016年教学研究重点项目“药物化学教学团队”（2016jxtdl03)。作者简介：钟先錦（1980-：)，男，安徽含山人，讲师，硕士一18——钟先锦，刘修树，方丽波，贾贞贞：超声波-光催化降解对氨基苯磺酸废水的研究020406080100120140时间/min凼3暗反实验曲线2.3溶液初始pH对光降解效果的影响按照2.1的反应条件，调节溶液不同的PH，分别为2.00、3.00、5_00、6.00、7_00、8_00、9_00、11_00。考察不同pH对去除率的影响。实验结果如阁4所示。802结果与分析2.1降解时间对光降解效果的影响配制0.05g/L对氨基苯磺酸模拟废水20L，纳米Ti02的加人浓度为0.06g/L，采用空气压缩机曝气，紫外光强20(jiW/cm2，pH为7，回流泵回流，回流水进人布水器均匀布水。随着反应时间的不断增加，溶液中对氨基苯磺酸的浓度不断减小。当反应时间大于2h后，对氨基苯磺酸浓度的改变趋于平缓，结果如阁2所示。801020406080100120140160时间/min图2反K/:时间对降解率的影响由阁2可以看出，在反应的初期90min内，降解速率基本没有变化，为零级反应；随着反应时间的增加，溶液中对M基苯磺酸的浓度逐渐减少，1^02对去图4初始pH对光降解率的影响除对象及其中间产物的吸附能力减弱，导致光降解—I9­6080时间/min人离心机除去固体。取上清液米用高效液相色谱法测定残留的对氨基苯磺酸的浓度。1.超声波反K/:器2.电动搅拌器3.灯管4.布水器5.回流泵6.进水管道7.进气加压泵8.进气口9.超声波信9•源10.波段调节器11示波器12.取样口图1反装置示意图速率逐渐减弱，反应呈现一级反应特征。2.2纳米Ti02暗反应实验按照2.1的反应条件，采用遮光布罩住反应器，在黑暗条件下反应2h。反应结果如阁3所示，可以看出，黑暗条件下，溶液反应45min后，对氨基苯磺酸的浓度趋于稳定。纳米1^02对有机物降解能力主要是由于其独特的物理结构决定的，一是纳米Ti02在紫外光的照射下，产生的光生空穴的氧化作用，二是纳米Ti02具有很大的比表面积可达200m2/gU4,大大地提高其吸附性能。在黑暗条件下，纳米Ti02降解对氨基苯磺酸主要是吸附作用占主导，当溶液反应45min后，Ti02吸附点位吸附的对氨基苯磺酸趋于饱和，降解效果趋于平稳。aft/撕胜毁2*槲胜逖新余学院学报太大时，催化剂对光的折射和反射效应增强，溶液的透光性减弱，降解率下降。2.5UV、US、UV/US超声波对降解效果的影响调节对氨基苯磺酸溶液的反应条件，Ti02的浓度0.06g/L、溶液的PH为7.00、超声波功率为80w，频率为20kHz,空气压缩机曝气、回流泵回流，回流水进人布水器均匀布水。分别在UV、US、UV/US条件下，降解2h后，考察溶液的降解率，结果如阁6所示。1001UV/US—UV80■~^-US20-020406080100120时间/min凼6不同工艺对降解率的影响由阁6可知，对氨基苯磺酸在UV、US、UV/US条件下降解率分别为67.87%，、13.27%，、93.87%。对氨基苯磺酸的UV/US降解效率比uv、us单个降解效率之和都要好，这一结果说明了超声波联合纳米Ti02光催化降解对氨基苯磺酸不是简单的叠加关系，而是产生了协同作用。这是因为:一方面，UV/US作用溶液时，US可以充分混合溶液，避免纳米Ti02的团聚，使其充分分散到溶液中，增大了纳米Ti02和溶液的接触机会。且超声清洁了紫外灯和纳米Ti02,表面，增加的紫外灯的穿透能力纳米Ti02的吸附能力；另一方面，UWUS体系中，超声波的空化效应增大了溶液中氧化能力极强的•OH浓度，且超声波能够抑制•OH相互结合生成氧化能力较弱的H202。3结论实验结果表明：（1)超声波联合光催化Ti02降解对氨基苯磺酸具有协同效应，可以明显提高溶液的降解效果；（2)实验的最佳工艺条件:纳米Ti02的浓度0.06g/L、溶液的PH为7.00、紫外光强20|xW/cm2、声波功率为80w、频率为20kHz。反应2小时后降解率可达93.87%，较单纯超声波和光催化降解由阁4可以看出，溶液的初始PH为7.00时，对•氨基苯磺酸的降解效率最大，处理2h后达67.87%。Ti02是一种两性的金属氧化物，其等电点约为6.8,当溶液的pH小于等电点时，即溶液在酸性条件下，一方面，Ti02表面带正电荷，这将与溶液中带正点的中间产物互相排斥，影响污染物的进一步降解；另一方面，光生电子向1^02表面迁移，加速了•OH的生成速率，这又会促使污染物及其中间产物的进一步降解。而当溶液的pH大于等电点时，1^02表面带负电荷，空穴向1^02表面迁移，与吸附在Ti02表面的H2o、oit作用生成•oh。这有利于光催化反应的发生。但是，对氨基苯磺酸的两级电离平衡常数分别为0.58和3.23，当pH大于3.23时，对氨基苯磺酸主要以阴离子形式存在，其阴离子和OIT在1^02表面发生竞争吸附，影响•0H的生成，从而降低了光催化效率。因此，实验数据显示，溶液在中性时，对氨基苯磺酸降解效率最大。2.4催化剂的投入量对降解效果的影响按照2.1的反应条件，分别向溶液中加人0.2g、0.4g、0.6g、0.8g、l.0g、l.2g、l.4g、l.6g纳米Ti02。考察不同的催化剂投人量对降解效果的影响，实验结果如阁5所示。阁5催化剂加人量对降解率的影响由阁5可以看出，当溶液中Ti02的浓度达到0.06g/L时，2h后，溶液的降解率达到最高，此后随着Ti02浓度的增加，溶液的降解率逐渐降低，这是因为，当Ti02投加量较少时，溶液的透光率较高，催化剂的催化表面积相对较小，溶液的降解率不高。随着Ti02浓度的增加，Ti02的催化表面积增加了，•OH产出率增加，溶液的降解率提高。但当1^02的投人量一20——oo64次/阱f钟先錦，刘修树，方丽波，贾贞贞：超声波-光催化降解对氨基苯磺酸废水的研究分别提高了7.07倍和1.38倍。参考文献：[1]王艳青，张劲松，周集体，等.对氨基苯磺酸生物降解动力学及降解机制研究[J].环境科学，2009,30(7):2136-2141.[2]李鹏，程迪，马新东.用TOA为流动载体的乳状液膜提取对氨基苯磺酸[J].膜科学与技术,2007,27(6):68-71.[3]孙越，朱兆连，潘丙才，等.树脂吸附法处理磺胺中间体生产废水的研究[】].化工环保，2003,23(1:9-13.[4]吴楚.对氨基苯磺酸降解菌的分离及其特性研究[J].环境工程学报，2003,3(11h2000-2004.[5]黄沛瑜.乳状液膜法预处理高浓度苯胺、对氨基苯磺酸废水的试验研究[D].重庆：重庆大学，2011.[6]王玉军，骆广生，蔡卫滨，等.膜萃取去除水中对氨基苯磺酸的研究[J].现代化工，2000,20(10):31-33.[7]罗学辉，秦炜，符钰，等.络合萃取法处理磺酸类染料中间体工业废水的研究[J].化学工程，2003,31(2):51-54.[8]孙越，朱兆连，潘丙才，等.树脂吸附法处理磺胺中间体生产废水的研究[J].化工环保，2003,23(1):9-13.[9]李姗姗，刘峻峰，冯玉杰.高级氧化法处理农药废水研究进展[J].工业水处理，2015,35(8):6-10.[10]兰彬，王魁，王臣臣，等.环境友好型纳米银制备及体系优化[J].安徽科技学院学报，2017,31(3h58-63.[11]宋凯悦，吴兵兵，朱祥，等.超薄纳朱SiC催化材料对氧还原反应催化性能研究[J].安徽科技学院学报，2017,31(1):71-76.[12]王慧娟，陈金媛.超声波-Fe-u掺杂Ti02纳米管光催化降解活性艳红X-3B的研究[J].纳米材料与应用，2012,9(1)：14-17.[13]徐勤勤，李娟，孙猛，等.超声波-TiO:光催化处理对垃圾滲滤液氨氮和COD去除的研究[J].三峡环境与生态，2011,33(2)：27-30.[14]陈玉娟，胡中华，王晓静，等.活性炭孔径和比表面积对Ti02/AC光催化性能的影响[J].物理化学学报，2008,24(9)：1589-1596.(责任编校:任华）Studyondegradationofp-aminobenzenesulfonicacidwastewaterbyultrasonicirradiationcombinedwithphotocatalysisZHONGXian-jin,LIUXiu-shu,FANGLi-bo,JIAZhen-zhen(HefeiVocationalCollegeofTechnology,Chaohu238000Ch