氧化石墨烯催化氧化垃圾滲濾液研究范文
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摘要:采用Cu2O、氧化石墨烯、Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑處理垃圾滲濾液，分析催化劑種類、投加量、反應時間對處理效果的影響。試驗結果表明，Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑處理垃圾滲濾液的效果最好，最佳試驗條件為復合催化劑質量∶滲濾液COD質量=0．7，反應時間為1h。在最佳試驗條件下，處理后的垃圾滲濾液的NH+4－N濃度達到2454mg/L，對COD的去除率可達93．33%，BOD5/COD值為0．84。
關鍵詞:垃圾滲濾液;Cu2O;氧化石墨烯;催化氧化
垃圾滲濾液為含有高濃度懸浮物和高濃度有機或無機成分的液體［1，2］，成分十分復雜。由于含有高濃度的氨氮和難降解有機物，因此采用常規的生物法處理較難取得理想效果［3］。催化氧化技術通過向垃圾滲濾液中加入催化劑，可使污染物質分解成小分子的碳氫化合物、二氧化碳和水［4，5］。該技術對水質、水量的變化沒有要求，且對滲濾液的處理效果較好。由于化學催化氧化技術成本相對較低、操作性較強，成為滲濾液處理領域的研究熱點［6］。筆者采用Cu2O、氧化石墨烯和Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑處理某垃圾填埋場的垃圾滲濾液，分析催化劑種類、投加量和反應時間對處理效果的影響，同時研究垃圾滲濾液的可生化性，并優化反應條件。
1試驗材料與方法
1.1試驗試劑與儀器
試驗試劑:硫酸銅，水合肼，氫氧化鈉，葡萄糖，石墨粉，高錳酸鉀，硝酸鉀，濃硫酸，無水乙醇等。儀器:聚四氟乙烯的高壓反應釜，超聲清洗儀，干燥箱，蒸汽壓力鍋，磁力攪拌器，離心機，紫外可見分光光度計等。
1.2催化劑的制備
1.2.1氧化亞銅的制備取6．13g硫酸銅和12g氫氧化鈉分別溶于100mL蒸餾水中。取3g葡萄糖加入250mL燒杯中，再將溶解的硫酸銅和氫氧化鈉加入燒杯中。調節溫度為20℃，在攪拌條件下緩慢加入0．6mL的水合肼，溶液完全變紅后反應結束。靜置一段時間后，分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌沉淀4次，在60℃真空環境中干燥6～8h，得到超細Cu2O粉末。1.2.2氧化石墨烯的制備將2g石墨粉和1g硝酸鉀加入到50mL濃硫酸中，攪拌均勻后放入冰水中冷卻，在攪拌過程中緩慢加入6g高錳酸鉀，并保持溫度不超過20℃，然后放在磁力攪拌器上攪拌，直至溶液黏稠為止。隨后升溫至35℃，繼續攪拌30min，在攪拌過程中加入蒸餾水，然后加入30%的過氧化氫直至不再產生氣泡，將溶液放入離心機中，離心(4000r/min)后倒掉上清液，向沉淀中加入鹽酸溶液洗滌，重復3次。最后將沉淀倒入干凈托盤中自然晾干。1.2.3Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑的制備將0．5g氧化石墨烯粉末加入500mL蒸餾水中，超聲溶解，然后加入5g氧化亞銅粉末，室溫下磁力攪拌3～4h，將混合溶液移入聚四氟乙烯的高壓反應釜中，置于烘箱中，在120℃條件下保溫6～8h，將沉淀抽濾后，放入60～80℃干燥箱中，得到氧化亞銅與氧化石墨烯的復合物。1.3催化氧化試驗流程垃圾滲濾液存儲于進水水箱后由提升泵引入反應器中，向反應器中投加催化劑，并用攪拌器攪拌均勻，反應一定時間后的垃圾滲濾液由出水口流入出水水箱，檢測COD、BOD5、NH+4－N等水質指標。
2結果與討論
2.1垃圾滲濾液催化氧化試驗
2.1.1催化劑投加量的影響①對COD的影響在垃圾滲濾液COD為24019mg/L，NH+4－N為598．69mg/L，滲濾液體積為100mL，催化劑質量與滲濾液COD質量之比分別為0．4、0．5、0．6、0．7、0．8、0．9、1．0條件下，反應1h后，催化劑投加量對COD去除率的影響如圖1所示。由圖1可知，采用Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑時，COD去除率明顯高于其他兩種催化劑的。當Cu2O或氧化石墨烯為催化劑時，在催化劑質量與COD的質量之比為0．6的條件下，對COD的去除率最高，分別為75．12%和77．26%。而采用Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑時，在催化劑質量與COD的質量之比為0．7的條件下，對COD的去除率最高，可達到93．33%，且催化劑質量與COD的質量比值小于0．7時，COD去除率隨投加比的增加而升高，當投加比大于0．7時，COD的去除率隨投加比的增加而下降。可見，過量的催化劑不但會增加成本，也會降低對COD的去除效果。②對氨氮的影響圖2為催化劑投加量對氨氮濃度的影響。從圖2可以看出，使用Cu2O、氧化石墨烯和Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑后，垃圾滲濾液的NH+4－N含量不但沒有降低反而升高，且投加Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑時NH+4－N的含量明顯升高。當Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑的質量與滲濾液中COD的質量之比為0．7時，NH+4－N含量最高，達到2454mg/L。結合圖1可以看出，催化劑在去除COD時將有機氮轉化為NH+4－N，所以當垃圾滲濾液的COD降低時，NH+4－N濃度反而升高。2.1.2反應時間的影響①對COD的影響在Cu2O、氧化石墨烯和Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑與滲濾液COD的質量之比分別為0．6、0．6、0．7的條件下，考察反應時間(1、2、4、6、8h)對COD去除率的影響。結果表明，當以Cu2O和氧化石墨烯為催化劑時，COD去除率隨著反應時間的增加呈現先增加后趨于穩定的趨勢，并且兩種催化劑與滲濾液反應4h時，對COD的去除率均最大，分別為80．25%和82．63%。但采用Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑時，反應時間對COD去除率的影響不明顯，反應1h后對COD的去除率即可達到93．33%，繼續延長反應時間，COD去除率基本不變。②對氨氮的影響試驗結果表明，不同反應時間下，采用Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑時，NH+4－N濃度明顯高于Cu2O和氧化石墨烯為催化劑的。在Cu2O和氧化石墨烯為催化劑的條件下，NH+4－N濃度隨著反應時間的延長呈現先增加后趨于穩定的趨勢，且采用此兩種催化劑時，反應時間為4h的NH+4－N濃度最高，而后趨于穩定。采用Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑時，反應時間對NH+4－N濃度的影響不大，且當該復合催化劑與垃圾滲濾液反應時間為1h時，NH+4－N濃度約為2454mg/L，繼續延長時間，NH+4－N濃度基本沒有明顯變化，進一步說明使用Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑處理垃圾滲濾液時，1h左右催化劑即將有機氮轉化為氨氮。2.1.3催化劑對垃圾滲濾液可生化性的影響由于垃圾滲濾液屬于難降解廢水，在厭氧反應后期，BOD5/COD值較低，一般只能達到0．2左右，可見采用生物法處理垃圾滲濾液無法取得理想的效果。但是加入催化劑后，BOD5呈現先下降后上升的趨勢。圖3為催化劑投加量對可生化性的影響。可以看出，在以Cu2O、氧化石墨烯為催化劑的條件下，催化劑投加質量與滲濾液COD的質量之比為0．6時，BOD5/COD值均最高，分別為0．67和0．72。而采用Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑時，在催化劑投加質量與滲濾液COD的質量之比為0．7的條件下，BOD5/COD值最大，為0．84。可見，采用Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑時，垃圾滲濾液的可生化性得到明顯提高。采用催化氧化技術對垃圾滲濾液進行預處理后，可以提高后續生物法的處理效果，同時降低垃圾滲濾液的處理成本。
2.2催化劑的表征
2.2.1掃描電子顯微鏡(SEM)分析圖4為Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑的SEM照片。可知，該復合催化劑呈顆粒狀，并且團聚在一起，表面粗糙，比表面積較大，因此能把更多的污染物吸附到催化劑表面。污染物和復合催化劑反應后，產生了羥基自由基，可將污染物分解成CO2和H2O，從而使污染物得以去除。同時，可以看到復合催化劑上有晶體形成，該晶體的吸附能力較強，但具體成分有待進一步研究。2.2.2電子探針顯微(EDAX)分析Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑的EDAX圖譜表明，該催化劑中僅含有C、Cu、O元素，與Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑成分相吻合。經計算，C、Cu以及O元素在復合型催化劑中的含量分別為4．78%、84．20%、10．41%。可見，該催化劑純度較高。2.2.3EDS分析圖5為Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑的EDS分層圖像。可知，該復合型催化劑的內層空間較大，通過內層空間也能吸附垃圾滲濾液中的污染物，提高對污染物的去除效果。
3結論
①采用Cu2O、氧化石墨烯、Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑處理垃圾滲濾液過程中，Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑對垃圾滲濾液的COD去除率最高，該復合催化劑的最佳反應條件是:催化劑質量與滲濾液COD的質量之比為0．7，反應時間為1h。在此反應條件下，垃圾滲濾液的NH+4－N濃度達到2454mg/L，對COD的去除率可達93．33%，BOD5/COD為0．84。通過復合催化劑的催化氧化，垃圾滲濾液的可生化性增強，可提高后續生物法的處理效果，并且可大大降低處理成本。②Cu2O/氧化石墨烯復合催化劑表面粗糙，比表面積較大，對污染物的去除效果較好。同時，催化劑的內層空間較大，可吸附更多的污染物，從而提高對污染物的去除率。另外，制備的復合催化劑的純度較高，催化性能較好。
參考文獻:
［1］余紅偉，汪濤，王源升．Fenton法對垃圾滲濾液生化活性影響研究［J］．海軍工程大學學報，2016，28(1):94－98．
［2］尹軍，蔣寶軍，吳曉燕，等．混凝與Fenton聯用處理垃圾滲濾液的效能及成本［J］．環境工程學報，2010，4(5):988－992．
作者：蔣寶軍 陳玉婷 劉卓驛 單位：吉林建筑大學