响应面法优化TiO<sub>2</sub>/ACF光催化连续处理ARB废水研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0114

摘要/Abstract

摘要：

为解决印染废水连续化脱色处理问题，采用自制TiO₂/ACF反应器（13.8 L）辅以Box-Behnken响应面法对酸性红B（ARB）染料废水的连续处理过程进行了研究。研究结果表明：连续循环实验中，当单次循环时间为103 min，催化剂投加量为100 cm×100 cm时，ARB废水（质量浓度21 mg/L，对应色度128倍）3组平行实验脱色率平均值为86.43%；优化条件下连续进出水实验，ARB废水前2 h脱色率快速上升至86.29%，连续处理12 h脱色率始终维持在86%左右，出水基本无色。紫外-可见吸收光谱分析显示，ARB废水在515 nm处最大吸收峰随处理过程的进行明显减小直至消失，说明TiO₂/ACF光催化技术在印染废水连续脱色应用中具有显著的效果。

关键词: 反应器, 染料废水, 光催化, 活性碳纤维, 响应面法

Abstract:

To solve the problem of continuous decolorization treatment of printing and dyeing wastewater，the continuous treatment process of acid red B（ARB） dye wastewater was studied by a self-made TiO₂/ACF reactor（13.8 L） combined with the Box-Behnken response surface method. The results showed that，for the continuous-cycle experiment，under the condition of single-cycle time 103 min and the catalyst dosage 100 cm×100 cm，the average decolorization efficiency of ARB wastewater（concentration 21 mg/L，corresponding to 128 times chroma） was 86.43%. Under the optimal conditions，for the experiment with continuous inflow and outflow，the decolorization efficiency of ARB wastewater（concentration 21 mg/L，corresponding to 128 times chroma） increases rapidly to 86.29% in the first 2 h and maintained at around 86% in the following 12 h，and the effluent was basically colorless. UV-vis spectroscopy analysis showed that the maximum absorption of the ARB wastewater reached its peak at 515 nm and decreases dramatically and disappears eventually with the extended treatment time. It showed that TiO₂/ACF photocatalytic technology had a remarkable effect in the application of continuous decolorization of printing and dyeing wastewater.

Key words: reactors, dye wastewater, photocatalytic, actived carbon fiber, response surface method

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I9/79

图/表 8

图1 TiO₂/ACF反应器降解ARB废水实验流程

Fig. 1 Experimental process of degradation of ARB wastewater by TiO₂/ACF reactor

图2 不同运行条件下ARB废水脱色率对比

Fig. 2 Comparison of decolorization rate of ARB wastewater under different operating conditions

表1 响应面因素水平编码

Table 1 Response surface factor level coding

因素	代码	编码水平
因素	代码	-1	0	1
运行时间/min	X ₁	90	120	150
质量浓度/（mg·L^-1）	X ₂	20	30	40
投加量/（cm×cm）	X ₃	60×60	80×80	100×100

表2 脱色率响应面分析实验结果

Table 2 Experimental results of decolorization rate response surface analysis

序号	编码水平			去除率/%
序号	X ₁	X ₂	X ₃	实验值	预测值
1	-1	-1	0	84.67	84.70
2	1	-1	0	88.01	87.61
3	-1	1	0	79.66	80.06
4	1	1	0	80.61	80.57
5	-1	0	-1	79.06	79.00
6	1	0	-1	85.98	86.36
7	-1	0	1	89.95	89.57
8	1	0	1	85.57	85.63
9	0	-1	-1	86.10	86.12
10	0	1	-1	79.76	79.42
11	0	-1	1	89.83	80.17
12	0	1	1	85.21	85.19
13	0	0	0	85.00	85.60
14	0	0	0	85.53	85.60
15	0	0	0	84.56	85.60
16	0	0	0	86.42	85.60
17	0	0	0	86.49	85.60

表3 脱色率方差分析结果

Table 3 Results of variance analysis of decolorization efficiency

来源	平方和	自由度	均方	F值	P值（Prob>F）
模型	170.62	9	18.96	35.32	<0.000 1
X ₁	5.85	1	5.85	10.90	0.013 1
X ₂	68.21	1	68.21	127.09	<0.000 1
X ₃	48.31	1	48.31	90.01	<0.000 1
X ₁ X ₂	1.43	1	1.43	2.67	0.146 1
X ₁ X ₃	31.94	1	31.94	59.52	0.000 1
X ₂ X ₃	0.74	1	0.74	1.38	0.279 0
X ₁ ²	6.31	1	6.31	11.76	0.011 0
X ₂ ²	5.47	1	5.47	10.18	0.015 3
X ₃ ²	2.47	1	5.47	4.60	0.069 2
残差	3.76	7	0.54
失拟项	0.86	3	0.29	0.40	0.762 3
纯误差	2.89	4	0.72
总离差	174.38	16

图3 单次循环时间、ARB废水浓度、催化剂投加量对ARB废水脱色率影响的响应面和等高线

Fig. 3 Response surface and contour plots of single-cycle time，ARB wastewater concentration，and catalyst dosage on decolorization efficiency of ARB wastewater

图4 连续进出水实验3种条件下对ARB废水的脱色效果

Fig. 4 Decolorization effect of ARB dye wastewater under three conditions of continuous inflow and outflow experiment

图5 ARB降解紫外-可见光光谱图和ARB降解机理图

Fig. 5 UV-Vis spectra and mechanism of ARB degradation

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