甲基橙模拟废水吸附降解方法

图1(a)为天然杭锦土，其在扫描电镜下呈棒状、纤维状、鳞片状结构;图1(b)为纳米零价铁，铁球呈链状聚集体;图1(c)、(d)为负载型纳米零价铁，纳米铁球均匀分布在鳞片状、棒状、纤维状结构的杭锦土表面。SEM结果表明负载型纳米零价铁的铁球均匀地分散在杭锦土表面，可减少纳米零价铁颗粒的聚集。

2.2 XRD分析

图2(a)、(b)分别为杭锦土、杭锦土负载纳米零价铁的XRD谱图。由图2(a)可以看出杭锦土的主要矿物相为石英、伊利石、方解石、坡缕石，这些矿物相的检出与扫描电镜下观察到的矿物相形态相符，证实了杭锦土中这4种矿物相的存在。由图2(b)发现α-Fe特征衍射峰(2θ为44.8°)的出现，表明Fe0颗粒成功负载到杭锦土上[8]。

图2 XRD谱图

2.3 不同材料对甲基橙降解效果的影响

取200 mL质量浓度为 50 mg/L甲基橙溶液置于500  mL烧杯中，分别将杭锦土(HJ)、纳米零价铁(NZVI)、负载质量比为1∶1的负载型纳米零价铁(NZVI@HJ)加入甲基橙模拟溶液中，投加量分别为1.5、1.5、3  g/L，在初始pH为6.80、25 ℃条件下考察不同材料对甲基橙的降解情况，如图3所示。

图3 不同材料对甲基橙的降解效果

由图3可以看出，杭锦土、纳米零价铁、负载型纳米零价铁这3种材料对甲基橙的去除效果随时间的推移而提高。其中杭锦土对甲基橙的去除率在15  min时达到平衡，去除率为14.94%，说明杭锦土对甲基橙具有脱色作用，黏土对偶氮染料的脱色主要是通过离子交换和吸附的方式进行[9]。与负载型纳米零价铁相比，纳米零价铁对甲基橙的去除率在前10  min提升较快，10 min之后提高缓慢，90  min时达到最高值76.16%。这可能是因为纳米零价铁因自身磁性易于聚集形成链状结构，从而降低了反应活性，另外纳米零价铁与甲基橙反应一段时间后被氧化生成一层钝化膜，阻止了零价铁的完全反应[10]。负载型纳米零价铁在前10  min去除率不断提高，10  min时即达到85.38%，将纳米零价铁负载在杭锦土上有利于纳米颗粒物的分散，减少了团聚性进而提高了反应活性，与电镜表征结果一致。反应时间为60  min时，3种材料对甲基橙的去除率明显不同，杭锦土为15.19%、纳米零价铁为69.11%、负载型纳米零价铁为93.08%。这与Xin  Zhang等[11]的结论一致。

2.4 不同负载比对甲基橙降解效果的影响

取200 mL质量浓度为50 mg/L的甲基橙溶液置于500 mL烧杯中，在溶液初始pH为6.80、25 ℃、杭锦土负载纳米零价铁投加量为3  g/L的条件下，将不同NZVI负载量的NZVI@HJ加入甲基橙溶液中，考察杭锦土负载纳米零价铁的最佳负载比。由实验结果可知，不同负载比[m(纳米零价铁)∶m(杭锦土)]的纳米零价铁对甲基橙的去除效果随时间的延长而提高，1  min内4种材料(负载比1∶4、1∶3、1∶2、 1∶1)对甲基橙的去除效果相近，分别为44.56%、 58.76%、57.53%、59.40%，反应10  min后这4组负载比材料(1∶4至1∶1)对甲基橙的去除率分别达到  60.31%、97.68%、70.10%、75.92%，其中以1∶3负载型纳米零价铁对甲基橙的脱色率最高。从1∶4、  1∶2、1∶1负载比的脱色情况可以发现，随着零价铁负载量的增加，负载型纳米零价铁对甲基橙的脱色率迅速提高，这可能是由于纳米零价铁的增加有利于负载型纳米零价铁比表面积的增加[12]，从而更有利于甲基橙的脱色。另一方面，杭锦土和纳米零价铁在甲基橙的脱色过程中分别起到不同作用，杭锦土作为一种吸附剂和支撑材料，对纳米零价铁起到分散和稳定作用，而纳米零价铁作为一种还原剂对甲基橙具有还原脱色功能[13]。因此，在负载型纳米零价铁的制备中适当添加杭锦土有利于纳米零价铁还原作用的充分发挥。纳米零价铁与杭锦土的最佳负载质量比为1∶3。

2.5 不同投加量对甲基橙降解效果的影响

取200 mL质量浓度为 50 mg/L的甲基橙溶液置于500 mL烧杯中，在初始pH为6.80、25  ℃条件下，将负载比为1∶3的NZVI@HJ加入甲基橙溶液中，投加量分别取1、2、3 g/L，考察NZVI@HJ投加量对甲基橙降解效果的影响。