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染料工业废水的危害及处理方法研究
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2019/3/1 11:17:36  

摘要:本文首先从染料的分类、特性对染料进行了相关概述,然后主要从染料工业废水的来源、危害对染料工业废水进行了分析与探讨,并在论文最后分别提出了生物处理法、化学处理法、物理处理法等染料工业废水的处理方法。

关键词:染料 染料工业废水 处理方法

1染料废水的现状

1.1染料的分类

染料可以被定义为具有颜色的有机化合物,用于赋予如化妆品,纸张,药品,皮革,毛皮,油脂,头发,蜡,塑料和纺织材料等不同基质的颜色。染料基本上是化学化合物,可以连接到表面或织物上,赋予颜色[9]。染料根据它们的来源分类可以分为天然染料和合成染料。天然染料是从植物、动物和矿物中提取的。天然染料在早期的纺织工业中使用最多,其主要包括木菠萝、洋葱、桉树、姜黄、黄色植物染料和指甲花染料等。然而,由于人口增长和工业活动的发展,天然染料已经不符合工业发展的需求,因此他们目前主要应用在食品工业中。合成染料几乎完全取代了天然染料,特别是在纺织品和纺织工业中。像活性的,酸碱性的,指示性的,还原性的和分散性的等几种类型的染料广泛的用于众多行业[10]。除分散性和还原性染料以外,其余染料均溶于水。

1.2染料的特性

一般的染料是溶于水或水分散的化合物,他们能够吸附在基质上并破坏物质的晶体结构。染料分子是通过化学键络合到材料表面上的,在应用之后,它们就变成了材料的一部分。使用具有高颜色强度染料时,颜色不会随着时间的推移出现褪色。颜色的强度取决于它在可见光区域吸收辐射的强度。染料中赋予颜色的结构(不饱和基团能够承受π-π到n-π过渡)被称为生色团。还有另一组结构,可以使颜色的得到强化,这些结构称为助色团。不同于生色团,助色团不能承受π-π过渡,而是经历n电子跃迁。像-OH, -OR, -NH2, -NHR, -NR2 和 -X都是典型的发色团。图1为刚果红染料的分子式。

图1刚果红的分子式

1.3 染料工业废水的来源

由于染料被广泛的应用于橡胶、纺织、化妆品、塑料、皮革和造纸等众多行业中。所以染料工业废水可能就来自上述行业产生过程,如硝化、氧化、氯化、还原、重氮、缩合以及偶合反应等生产过程产生的废母液。此外,有的染料废水可能来自染料生产过程的分离精制、水洗过程中产生的过滤液、洗涤水等。因此,工业染料废水具有成分复杂、差异大、来源广等特点,处理起来极其困难。

1.4 染料工业废水的危害

碱性染料的颜色强度很高,即使在很小的浓度下也很明显[11]。络合染料通常是铬基,这是致癌的[12]。由于染料会减少光的穿透,可能会影响水生生物的光合作用,像金属,芳烃等有害物质对一些水生生物也可能是有毒的[13, 14]。 此外,活性染料具有致癌性,致突变性,致畸形性等特点[8, 15]。同时,它还可能对人类肾功能,生殖系统,肝脏,大脑和中枢神经系统造成严重损害。偶氮染料是有毒的,因为在工业废水中存在有毒的胺[16]。像蒽醌基一类的染料最难降解而且颜色会在废水中保持很长时间[16]。活性染料能够溶于水,5-10%的染料进入染缸内就会使得废水颜色很深,给环境带来严重的麻烦[10]。此外,活性染料的化学稳定性好和生物降解性很小,通过传统的处理厂很难进行处理,因此,寻求一种有效的方法去除废水中的染料具有重大的研究意义。

2染料工业废水的处理方法

各种废水处理技术被应用于从水中去除染料废水,如吸附法、混凝、絮凝、电化学方法、光催化法、离子交换法、以及生物降解法[7, 14, 17-21]。然而,提到的这些方法可以分为三种主要类型:生物法,化学法和物理法[3, 15, 22, 23]。表1-1展示了常见的几种印染废水处理方法的优点和缺点[24]。从中可以看出每种方法都有其独特的之处及弊端。每种方法都有其相对应的适用环境。因此选择合适的水处理方法对解决印染废水带来的环境问题十分重要。

2.1生物处理法

微生物对合成染料的生物降解是一种常用的、简单的废水处理方法,但生物降解过程可能是复杂的。大量的微生物已被用于染料的脱色[25]。这些生物处理方法主要包括染料的微生物脱色、染料的微生物降解、混合微生物培养对染料的生物降解、固定化细胞对染料的生物降解、微生物燃料电池对染料的生物降解[25]。其中染料脱色可能有两种方式:微生物吸附或微生物降解。对染料的吸附主要发生在生物细胞上的吸附被称为生物吸附,因为它发生在生物材料上。在生物吸附的情况下,染料的原始结构保持完好。与此相反,在生物降解,原来的染料结构被破坏,污染物由微生物细胞分裂成碎片,有时达到完全矿化,转变为CO2, H2O 和无机盐。而合成染料的生物降解不仅导致染料的脱色,而且使染料分子的碎片变小,更简单(分解产物),通过染料发色中心进行切割而使染料脱色。各种微生物,包括真菌,细菌,酵母菌和藻类,已被用于合成染料的脱色和降解[26]。但是,大多数染料化合物非常稳定,对生物降解具有很强的抵抗力。或许在不久的将来,新菌株的分离提炼或者吸附能够适应现有的染料,可能会提升生物分解染料的效果。

2.2化学处理法

废水的化学处理方法包括沉淀、絮凝、混凝、浮选和过滤、电凝、氧化法、辐射或电化学方法[27]。近年来,一些组合工艺对废水表现出了优异的处理效果,而备受青睐。有些企业更是直接将碱性废液和酸性废液进行混合,以废制废,以期达到对废水的经济高效处理。但是染料废水复杂多变,两种染料的浓度、pH值、排放的量都很难把握,因此采用酸碱混合很难进行实际操作。化学方法的有效性取决于废水中污染物与化学物质性质之间的相互作用。这些化学处理法通过辅助分离过程来处理废水,或者是帮助去除一些污染物所造成的不利影响。这些技术对水的脱色效果好,但是同时又贵而且存在一些缺点,因为它们在使用后会产生大量的污泥,因此会带来污泥处置问题。此外,因为使用太多的化学试剂,可能会出现二次污染问题。氧化过程可能会生成强氧化剂,如羟基自由基,这些已被成功地用于降解污染物,但由于对于化学品和电能需求量很大,费用太高而缺乏商业吸引力。

2.3物理处理法

物理方法应用的十分常见,其中包括反渗透、电渗析、膜过滤、纳滤和吸附等[9]。膜分离过程的主要缺点是膜开始被污染前的使用周期短以及由于不断更换膜而带来的各种费用导致膜过滤在经济上不可行。根据文献报道,吸附法是一种使用最广泛的废水处理方法,已被证明可以以科学有效的防止污染,因为它可以去除污染物并且使废水脱色[28-31]。如果处理厂给予适当的吸附工艺设计,它处理过的废水可以产生很高质量。特别是在吸附剂廉价、本地可取、产量丰富,且需要较少的前处理步骤就可以使用的情况下,吸附法可以为污水处理提供了一个有吸引力的替代方法。

吸附被定义为:气体或液体溶质聚集在固体或液体(吸附剂)表面形成分子或原子膜(吸附质)的过程。一般来说,吸附剂有固定的吸收容量,例如,在离子交换过程中,一个特定的溶质被另一种溶质所取代。当吸附剂接触到含有可吸附溶质的液体时,就会发生吸附现象,直到达到平衡或吸附剂的表面出现饱和。吸附过程可分为两种主要类型:物理吸附和化学吸附。两种吸附类型之间的不同在于:在物理吸附中,吸附分子通过弱分子间相互作用附着在表面上,如表面的范德华力,疏水性,氢键,反向性,静电相互作用,偶极-偶极相互作用,Π-Π相互作用[32]。在另一方面,在化学吸附中,分子通过电子交换形成化学键附着在表面上。

在众多的废水处理技术当中,吸附技术引起广泛的关注,其被认为是一个有竞争力的和有前途的废水处理技术。它在初始成本,灵活性,设计简单,易于操作,甚至在有毒污染物的敏感性等方面表现出优于其他技术。因此,将吸附法运用于染料废水处理行业是一个不错选择。

表1印染废水治理方法比较

Worch [33]指出吸附的能力与吸附剂的比表面积成正比。这里的表面积是指整个可供吸附的部分区域,这主要与吸附剂的粒径有关。选择一种有效的吸附剂,有很多因素要考虑:操作方便、平均成本、吸附容量、潜在循环再生使用性[33]。因此,吸附技术的一个重要因素是选择合适的吸附材料。如今,大量的材料,如活性炭[34-36],粉煤灰[37, 38],粘土矿物[39, 40],介孔二氧化硅[41, 42],金属-有机框架[43, 44],和废料或工业副产品[10, 45-47]已被研究用于从污水中去除染料。然而,上面列出的这些吸附剂材料中也存在一些缺点,如吸附能力低、难处理再生、二次污染等[10, 47]。因此,开发具有吸附容量大、性价比高,绿色环保、循环性好的新型吸附剂十分迫切。

参考文献

[1]   Santhosh C, Velmurugan V, Jacob G, et al. Role of nanomaterials in water treatment applications: A review [J]. Chemical Engineering Journal 2016, 306P:1116-1137.

[2]   吕倩, 魏洁云. 中国地下水污染现状及治理 [J]. 生态经济, 2016, 32(10): 10-13.

[3]   陈文华, 李刚, 许方程, 等. 染料废水污染现状及处理方法研究进展 [J]. 浙江农业科学, 2014, (02): 264-269.

[4]   Shan R R, Yan L G, Yang Y M, et al. Highly efficient removal of three red dyes by adsorption onto Mg–Al-layered double hydroxide [J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2015, 21: 561-568.

[5]   Qi Y, Yang M, Xu W, et al. Natural polysaccharides-modified graphene oxide for adsorption of organic dyes from aqueous solutions [J]. Journal of Colloid Interface Science 2017, 486: 84-96.

[6]   周琪, 赵由才. 染料对人体健康和生态环境的危害 [J]. 环境与健康杂志, 2005, (03): 229-231.

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