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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流朱耀武-07401534-石墨烯四氧化三铁复合材料在处理印染废水中的应用-毕业论文.精品文档.学号： 07401534 常 州 大 学毕业论文（2011届）题 目 石墨烯/四氧化三铁复合材料在处理印染废水中的应用 学 生 朱耀武 学 院 石油化工 专 业 班 级 化工075 校内指导教师 何光裕 专业技术职务 副教授 校外指导老师 专业技术职务 二一一年六月石墨烯/四氧化三铁复合材料在处理印染废水中的应用摘要：本文通过简易的共沉淀方法制备了磁性可分离的石墨烯/四氧化三铁纳米复合材料。本文研究了以GE/Fe3O4复合材料作为催化剂，在光照或加热
2、条件下使H2O2分解为氧化性极高的羟基自由基（OH），催化降解酸性红RS。本文比较了GE、Fe3O4、及GE/Fe3O4催化脱色试验，GE/Fe3O4的吸附实验和非催化氧化实验的效率，讨论了不同的pH、温度和不同条件（加热、超声和光照）下反应时间对染料溶液脱色效果的影响。实验结果表明，非催化反应效率低下，吸附脱色水平较低，GE、Fe3O4单独使用时催化效果低微，然而GE/Fe3O4复合材料确显示了非凡的催化效果，即在H2O2存在条件下，GE与Fe3O4协同促进大大提高了酸性红RS的降解效果。关键词：磁性、纳米复合物、催化降解、石墨烯/四氧化三铁The application of graphe
3、ne / Fe3O4 composite materials in dyeing wastewater Abstract: A magnetically separable graphene/Fe3O4 nanocomposite catalyst was prepared by a facile co-precipitation method. The acid red RS catalytic degradation reaction was conducted under ultrasonic, irradiant or heat conditions with graphene/Fe3
4、O4 nanocomposite as the catalyst, and the effect was discussed of different reaction pH, temperature and the time under different conditions, such as heat, ultrasound and irradiant. In comparison with the efficiency of photocatalytic decolorization test with graphene, Fe3O4 and graphene/Fe3O4, adsor
5、ption experiments with graphene/Fe3O4 and non-catalytic oxidation experiments. The results showed that non-catalytic reaction and absorption bleaching is inefficient, and the effect of using graphene or Fe3O4 alone was low. However, the catalytic effect of graphene/Fe3O4 composites was remarkable, b
6、ecause graphene/Fe3O4 serves a dual function as the catalyst for photoelectrochemical degradation of acid red RS and the generator of a strong oxidant hydroxyl radical (OH) via photoelectrochemical decomposition of H2O2 under visible light irradiation.Key words: Magnetic, Nanocomposite, Catalytic de
7、gradation, Graphene / Fe3O4目 次1 引言11.1 印染废水的概述11.2印染废水的处理方法21.2.1物理法21.2.2化学法31.2.3生物化学法41.3 印染废水处理工艺发展的现状和趋势41.4 本课题研究的意义62 实验部分72.1 实验药品和仪器72.1.1 实验药品72.1.2 实验仪器72.2 实验步骤72.2.1 氧化石墨的制备72.2.2 超声法制备氧化石墨烯82.2.3 磁性GE/Fe3O4复合物的制备92.2.4 染料废水配制92.3 染料脱色的机理93 结果与讨论103.1 GE/Fe3O4复合材料的表征103.1.1 FT-IR分析103.1
8、.2 XRD分析103.1.3 TEM分析113.1.4 GE/Fe3O4复合材料磁性特征123.2不同催化剂催化降解酸性红RS效果的比较123.3 不同反应条件对酸性红RS降解效果的影响133.3.1 反应温度对酸性红RS降解效果的影响133.3.2 H2O2及GE/Fe3O4加入量对酸性红RS降解效果的影响143.3.3 pH对对酸性红RS降解效果的影响153.4 超声时间、光照时间和80下反应时间对酸性红RS降解效果的影响153.5 GE/Fe3O4催化剂对其他染料降解效果164 结论17参考文献18致 谢201 引言1.1 印染废水的概述印染废水是加工棉、麻、化学纤维及其混纺产品为主的
9、印染厂排出的废水。当印染废水进入水中时，未完全固定在纺织底物上的染料产生的显色组分，严重干扰生态系统。此外，一些研究表明，其中一些化合物是高度致癌的。因此，从公共健康和安全的观点来说降解有机染料的研究是必要的。印染废水主要产生于退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花及整理等工序，排放的废水中纤维原料、本身的夹带物以及加工过程中所用的浆料、油料、染料的化学助剂等。纺织印染行业也是我国用水量较大、废水排放量较多的部门。废水量大，成分复杂，含有浓重的色泽，具有生化需氧量(BOD )高、色度高、pH高、水温高等特点。这样的废水如果不做处理或处理未达到标准就排放，不仅直接危害人们的身体健康，而且严重的破坏自
10、然水体、土壤及生态环境系统1。另外，近年来民营企业异军突起，遍地开花，具体体现为生产厂点多，布局分散，加之三废处理水平低，执法不严等因素的影响，无形中加重了对环境的污染。目前行业中，具有较完善的三废处理设施又正常运转的企业不多，他们的治理合格率又不容乐观2。多数中小企业处理设施简单又不完善，新的治理技术由于费用的关系，应用也不够广泛，对周围的环境和人们的身体健康造成了很大的危害。正因此，印染废水的污染治理问题已成为行业发展的关键所在。有关印染废水的详细内容见表1-1：表1-1 印染废水的生产工艺、污染物来源与特性工序废水种类废水水质情况主要污染物 特 征退浆退浆废水各种浆料及浆料分解物、纤维屑
11、、淀粉、碱、各种助剂水量少、呈碱性、水质中的悬浮物（SS）通常可达数千至数万毫克/升，总固体含量高。煮炼煮炼废水纤维素、果酸、蜡质、油脂、碱、表面活性剂，含氮化合物水量大，呈现强碱性，含碱浓度约为0.3%，水温高，深褐色，污染物浓度高，BOD、COD很高，通常为几千至几万毫克/升。漂白漂白废水漂白剂，少量醋酸、草酸、硫代硫酸钠水量大，污染轻，BOD大约为200mg/L左右。丝光丝光废水碱、纤维屑、BOD、COD、SS含NaOH3%5%，一般通过多效蒸发浓缩后回收，故排出量很少，但经多次重复使用后，排出的丝光废水pH仍在1213，BOD、COD、SS均较高。染色染色废水残余染料、助剂、浆料、表面
12、活性剂水量大，pH10，色深，COD高，一般为300700mg/L，BOD较低，BOD5/COD Fe3O4&H2O2 H2O2 Fe3O4。90min以后，所有反应均趋于平衡，脱色率增加比较缓慢。其中单独的Fe3O4 与H2O2体系分别主要起到了物理吸附作用和弱的氧化作用，故对酸性红RS的处理效果并不明显。从图中可以看出Fe3O4&H2O2体系对酸性红RS的降解率要远高于单独的Fe3O4 与H2O2。这是由于发生了类似于Feton反应，即Fe3O4促进H2O2分解为氧化性极高的OH，从而促进了染料分子的分解反应。值得关注的是，GE/Fe3O4&H2O2对酸性红RS降解率要远远高于其他三组，而
13、且在80时反应15min后脱色率已达99%以上。因此，GE在其中起到的作用不可忽视，其作用可归结为两点：（一）作为Fe3O4载体在一定程度上提高了Fe3O4的比表面积，从而达到提高Fe3O4利用率的目的；（二）作为光催化反应中电子跃迁的一个平台，加速了催化反应的进行。3.3 不同反应条件对酸性红RS降解效果的影响3.3.1 反应温度对酸性红RS降解效果的影响图3-6 不同温度对酸性红RS降解效果效果的影响反应条件：0.2mL 3mol/L 的H2O2和0.01g GE/Fe3O4加入20mL 100mg/L的酸性红RS中，分别在20、40、60、80条件下进行降解反应。由图3-6可知，温度是影
14、响GE/Fe3O4复合物催化降解酸性红RS的重要影响因素之一。GE/Fe3O4复合材料对酸性红RS的脱色效果随着温度的升高逐渐增强，在相同反应时间内，2040间变化趋势比较明显。而且反应温度越高达到终点即完全脱色的时间越短，其中20全程的反应时间约为80全程反应时间的6倍。3.3.2 H2O2及GE/Fe3O4加入量对酸性红RS降解效果的影响图3-7 不同H2O2加入量对GE/Fe3O4复合材料的脱色效果的影响反应条件：取5份20mL 100mg/L的酸性红RS各加入0.01g GE/Fe3O4后，升温至20，吸附平衡后，再分别加入0.1、0.2、0.4和0.8mL 3mol/L H2O2在2
15、0条件下进行降解反应。由图3-7及3-8可知，酸性红RS的降解率与H2O2及GE/Fe3O4催化剂的加入量成正比。在相同反应时间内，加入0.6mL 的H2O2，酸性红RS的脱色率高达99%以上。然而在H2O2加入量低于0.6mL时，抽滤后的液体为淡淡的粉色，脱色率已经达到90%以上。从图中可以看出以0.01g的GE/Fe3O4复合物处理上述浓度的废水，脱色率即可达到95%以上。所以反应温度在20左右时，即使加入0.1mL 3M的H2O2及0.01gGE/Fe3O4催化剂也会对上述浓度的酸性红RS有很好的降解效果。图3-8 不同GE/Fe3O4复合材料加入量对脱色效果的影响反应条件：取5份20m
16、L 100mg/L的酸性红RS分别加入0.01、0.02、0.04、0.08g GE/Fe3O4后，升温至20，吸附平衡后，再各加入0.2mL 3mol/L H2O2在20条件下进行降解反应。3.3.3 pH对对酸性红RS降解效果的影响图3-9 不同pH对GE/Fe3O4脱色效果的的影响 反应条件：取5份20mL 100mg/L的酸性红RS分别加入0.01g GE/Fe3O4后，调节其pH分别为2、4、6、8、10、12，升温至20，吸附平衡后，再各加入0.2mL 3mol/L H2O2在20条件下进行降解反应。由图3-9可知，随着pH的增大，抽滤后液体颜色逐渐变深，由此可知pH越大GE/Fe
17、3O4复合材料对于酸性红RS的脱色效果越好。这是由于pH升高，溶液中OH-含量升高，使得Fe3+和OH-反应生成Fe(OH)3沉淀，附着在GE/Fe3O4复合材料表面，影响复合材料对于染料的吸附与脱色，同时Fe2+与Fe3+的平衡也向生成Fe3+的方向移动，减少了Fe2+的含量，降低了复合材料的催化能力，也会影响GE/Fe3O4复合材料对酸性红RS的催化降解效果。3.4 超声时间、光照时间和80下反应时间对酸性红RS降解效果的影响图3-10 不同长度超声时间、光照时间和80后不同长度反应时间对GE/Fe3O4复合材料脱色效果影响的比较反应条件：取3份20mL 100mg/L的酸性红RS分别加入
18、0.01g GE/Fe3O4后，在室温下匀速搅拌至吸附平衡后，再各加入0.2mL 3mol/L H2O2，分别在15条件下进行光照，20下进行水浴超声及20和80加热条件下进行催化降解反应。从图3-10可以看出，随着超声时间、光照时间、80后反应时间的延长的延长反应后溶液中染料的浓度（C）与反应前溶液的浓度（C0）比值逐渐减小，即脱色率逐渐升高，因此延长超声时间、光照时间、80后反应时间可以增加GE/Fe3O4复合材料的脱色效果。且80后反应的C/C0远小于不同超声时间和不同光照时间的值，即脱色率远远高于不同超声时间和不同光照时间的混合液。表3-1超声、光照和80下反应对酸性红RS降解后TOC的影响处理方法超声光照80加热TOC/mgL-1405.312.2423.23注：100mg/L酸性红RS的TOC为1011mgL。 从表3-1中可以看出，在光照条件下溶液的TOC最低，由于超声可将聚合的GE或GE/Fe3O4剥离开来，成为更小的颗粒或片层残留在溶液中，故在超声条件下TOC最高。一般废水的出厂温度较高，废热则为其提供了较好的反应条件，综合考虑在加热或光照条件下进行催化降解废水比较经济实用且高效。3.5 GE/Fe3O4催化剂对其他染料降解效果图3-11 GE/Fe3O4复合材料对亚甲基蓝的降解效果 反应条件：1mL 30% H2O2和0.1g GE/Fe3O4