CN102887562A - 一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，首先将染料废水倒入超声波清洗槽中，随后加入适量的纳米压电材料作为催化剂，最后选择合适的超声频率对染料废水进行降解。本发明具有如下优点：（1）处理成本低，工业化应用前景大。（2）降解废水的效率高，反应条件温和。（3）环境友好。（4）适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于染料废水处理领域，特别涉及一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法。
背景技术
印染行业是工业废水的排放大户，据不完全统计，我国每天排放的印染废水大约为 立方米。印染废水因其有机物含量高、成分复杂、色度深、水质变化大，成为国内外公认的难处理废水之一。近年来，随着印染化工工业的发展，PVA浆料、人造丝碱解物（主要成分为邻苯二甲酸类物质）以及其他新型助剂的广泛应用，使得大量难降解的有机物质混入了印染废水中。同时，新型染料朝着抗氧化、抗光解、耐酸碱腐蚀和抗微生物降解的方向发展，这就大大增加了印染废水的处理难度和处理成本。
目前，国内外处理印染废水的方法主要有光催化氧化法、化学法、生物降解法和电解法。其中光催化氧化法由于效率低、降解时间长而未能得到广泛的使用；化学法降解效率较高，但是由于成本过高且容易造成污染，未能得到广泛应用；生物降解法降解效率高、成本低，但是染料废水中含有大量的难于生物降解甚至是具有生物毒性的化合物，因此直接采用生物降解法处理效果和速率并不理想；采用电解法的降解效率高，但是能耗巨大，未能得到广泛应用。在这种背景下，发展一种降解效率高，处理成本低，环境无污染，降解反应条件温和，耐酸碱腐蚀，工业化应用前景大的处理方法来降解染料废水是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题,提供一种降解效率高，处理成本低的采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法。
在超声作用下，废水中的微气泡由于超声的空化作用会瞬间膨胀至爆炸。这种由于微气泡爆炸产生的力作用在具有特殊形貌结构的压电材料上时，会使纳米压电材料产生形变。由于纳米压电材料的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，从而使纳米压电材料表面产生异号电荷。纳米压电材料产生的电荷促使水分解，产生一些有利于染料降解的活性粒子（如：
、
、）,这些活性离子使染料废水中的有机染料分子降解。
纳米压电材料产生电荷降解染料废水的机理如下所示：
纳米压电材料在施加超声振动产生的空化作用下，表面产生异号电荷（如：
、
）。
阳极：
阴极：
染料降解： 
+ 染料分子→ 染料分子降解
基于此研究，本发明的技术方案是：一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，其特征在于：首先将染料废水倒入超声波清洗槽中，随后加入适量的纳米压电材料作为催化剂，最后选择合适的超声频率对染料废水进行降解。
进一步地说，所述纳米压电材料的形状为棒状、线状、管状、带状、树枝状中的一种；所述纳米压电材料的长度是0.1～100微米、直径是1～1000纳米。
进一步地说，所述添加纳米压电材料的质量与染料废水的体积比值为0.002～0.4 g/ml。
进一步地说，超声降解染料废水采用的超声频率为20～100 kHz。
进一步地说，所述纳米压电材料选自氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅中的一种或几种。
进一步地说，所述超声降解的染料废水可以是酸性、碱性、中性的染料废水中的一种。
进一步地说，所述染料废水在施加超声振动的过程中，增加紫外光或可见光照射，将光催化降解染料废水与超声降解染料废水一同结合使用。
本发明对添加了纳米压电材料的染料废水施加超声振动时，超声振动产生空化效应,空化效应使得废水中的微气泡爆炸，对压电纳米棒（或纳米线、纳米管、纳米带、枝状晶）产生作用力，使得其产生形变。由于压电效应，压电纳米棒（或纳米线、纳米管、纳米带、枝状晶）两端产生电荷，在电化学作用下，降解染料废水中的染料分子。
本发明具有如下优点：（1）处理成本低，工业化应用前景大。本发明所采用的压电材料制备工艺简单，原料价格低廉。（2）降解废水的效率高，反应条件温和。采用该方法处理染料废水去色效果好，降解染料废水效率高达80%以上。（3）环境友好。（4）适用范围广。可以处理酸性、碱性或者中性的染料废水。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来做进一步详细说明。
图1 是添加了氧化锌纳米棒的不同浓度酸性橙7染料废水在施加不同时间的超声振动后的降解效率曲线；
图2是添加了氧化锌纳米棒的相同浓度不同PH值的酸性橙7染料废水在施加不同时间的超声振动后的降解效率曲线；
图3是只加入氧化锌纳米棒，不施加超声振动；只施加超声振动，不加入氧化锌纳米棒；既加入氧化锌纳米棒，又施加超声振动条件下，不同时间染料废水的降解效率曲线图。
具体实施方式
本实施例中，将20 ml浓度为
mol/L(或者mol/L或者
mol/L)的酸性橙7染料废水(废水的PH值可以调节为3.2、5.4、6.8、9.4或10.5)倒入超声清洗槽内，再按照0.02 g/ml的比例将氧化锌纳米棒加入酸性橙7染料废水中，随后采用40 kHz的超声频率对酸性橙7染料废水施加超声振动，施加超声振动时间为10～60 分钟。反应后酸性橙7 的降解效率如表1 所示。
表1 加入氧化锌纳米棒作为催化剂超声降解酸性橙7染料废水的结果（染料浓度：
mol/L; 废水PH值为6.8）。
图1中横轴表示时间（min），纵轴表示染料降解效率(%)。A曲线代表溶液浓度为
mol/L，B曲线代表溶液浓度为
mol/L，C曲线代表溶液浓度为
mol/L。由图1可知，不同浓度的酸性橙7染料废水在添加一定量的氧化锌纳米棒，在超声清洗不同时间后，染料废水的浓度越大，降解效果越差。
图2中横轴表示时间(min)，纵轴表示染料降解效率(%)。D曲线代表溶液PH为6.8，E曲线代表溶液PH为5.4，F曲线代表溶液PH为9.4, G曲线代表溶液PH为3.2, H曲线代表溶液PH为10.5。由图2可知，相同浓度不同PH值的酸性橙7染料废水在添加一定量的氧化锌纳米棒，在超声清洗不同时间后，接近中性染料废水降解效果最好，酸性过大或碱性过大都会大大影响降解效果。
图3中横轴表示时间(min)，纵轴表示染料降解效率(%)。I曲线代表染料废水在添加氧化锌纳米棒，施加超声振动的条件下的降解效率，J曲线代表染料废水在在添加氧化锌纳米棒，不施加超声振动的条件下的降解效率，K曲线代表染料废水在不添加氧化锌纳米棒，施加超声振动的条件下的降解效率。由图3可知，染料废水只有在添加氧化锌纳米棒，施加超声振动的条件下，才能进行降解。
Claims (7)
1.一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，其特征在于：首先将染料废水倒入超声波清洗槽中，随后加入适量的纳米压电材料作为催化剂，最后选择合适的超声频率对染料废水进行降解。
2.如权利要求1所述的一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，其特征在于：所述纳米压电材料的形状为棒状、线状、管状、带状、树枝状中的一种；所述纳米压电材料的长度是0.1～100微米、直径是1～1000纳米。
3.如权利要求1所述的一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，其特征在于：所述添加纳米压电材料的质量与染料废水的体积比值为0.002～0.4 g/ml。
4.如权利要求1所述的一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，其特征在于：超声降解染料废水采用的超声频率为20～100 kHz。
5.如权利要求1或2所述的一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，其特征在于：所述纳米压电材料选自氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，其特征在于：所述超声降解的染料废水可以是酸性、碱性、中性的染料废水中的一种。
7.如权利要求1所述的一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法，其特征在于：所述染料废水在施加超声振动的过程中，增加紫外光或可见光照射，将光催化降解染料废水与超声降解染料废水一同结合使用。
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