金属盐与有机染料相互作用的机理研究

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自上世纪以来,纺织、塑料、皮革和石化等工业部门产生的不同废水受到人们的广泛关注,这些工业废水通常含有结构复杂,化学稳定和难以生物降解的有机染料。由于染料具有毒性,致癌和致突变性,即使在水中以低浓度的形式存在,也依然对环境和人类健康造成极大的威胁。现今已发展多种技术和方法用于去除废水中的染料,包括化学沉淀、电化学氧化、光催化降解、膜过滤和吸附等。但上述所开发的方法仍存在不同程度的缺陷,如成本高、处理周期长、过程繁琐等。为了克服如上问题,本论文利用金属盐与有机染料之间的相互作用进行两方面具体研究:(1)结合工业上两种不同行业废水的特点,开发了一种“以废治废”的方法,即采用工业排放的含有金属离子废水来处理含有有机染料废水的方式。此方法只需将有机染料废水与金属盐流出液简单混合,利用金属盐溶液的酸度和络合作用快速去除废水中的金属离子和有机染料,在当前研究中,专注于同时去除废水中金属离子和有机染料。本论文以刚果红作为研究模型,系统考察了金属盐种类、刚果红与金属盐摩尔比、反应时间、染料浓度等参数对处理效率的影响,结果表明不同金属盐对刚果红的去除有很大影响,其中Cu2+、Al3+、Cr3+、Fe3+和Bi3+五种金属盐对刚果红展示出超高的去除效率。与此同时,在反应时间仅为0.5 min时对1 mmol/L刚果红的去除效率超过99%。同时,将刚果红的浓度从1 mmol/L依次增加到10 mmol/L时,对其去除效率仍高达99%。除此之外,开发的方法对其他类型单一染料(曙红、丽春红、铬黑T、百里香酚蓝、溴百里香酚蓝、亚甲基蓝)和混合染料也同样有极高的去除效率。通过系统研究反应过程的主要影响因素,一方面金属盐溶液的酸度对去除有机染料起着至关重要的作用;另一方面金属离子与有机染料之间的络合作用也影响反应的进程。(2)为了进一步探究金属盐与有机染料之间的相互关系,系统考察了溶液的p H、不同磁性金属粉末、反应时间、金属粉末加入量等不同参数对刚果红沉降的影响。结果显示仅调节溶液的酸碱度(p H=2.0),在静置24 h内对不同浓度(0.1、0.5、1、5mol/L)的刚果红溶液会导致其发生沉降。当反应溶液中加入微量金属粉末时,能加快刚果红的沉降过程,仅静置1 h便对刚果红溶液有不同程度的沉降现象。同时在反应溶液中加入微量磁性金属粉末会进一步促进对刚果红的沉降并且大大缩短了水处理周期。除此之外,对不同类型单一染料和混合染料进行去除研究,当加入金属粉末为Co粉、加入量为4 mg、反应时间为20 min时,仅仅静置30 min内便对不同类型单一染和混合染料都展现出超强的去除能力。通过系统探究反应过程中的主要影响因素和反应机理,研究结果表明在反应过程中加入磁性金属粉末,其中一部分磁性金属粉末与酸反应生成相应的金属离子,金属离子在水溶液中带正电荷,而阴离子或中性染料结构中含有-SO3-基团,-SO3-基团使有机染料分子带负电,它们之间存在静电相互作用从而加快有机染料的沉降过程。同时金属离子与有机染料之间的配位络合作用也不应忽视,除此之外,溶液的酸度在反应过程中发挥着至关重要的作用。总之,磁性金属粉末与金属离子之间存在协同效应,共同促进对有机染料的沉降。
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