专利名称：一种采用纳米压电材料超声降解染料废水的方法
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 .3 . IO6 4 . IOe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^、OH*、A+)，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、A+ )。阳极4e~+ 4H2 O 40H~ + 4H"
4H* ^ 2H2 t阴极40H- — 4e- + 40H..
40H* — 2 H2O + O2 个
染料降解0H* +染料分子一染料分子降解 e_ +染料分子一染料分子降解
A+ +染料分子一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O. I 100微米、直径是I 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O. 002
O.4 g/mlο进一步地说，超声降解染料废水采用的超声频率为20 100 kHz ο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。
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I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。
具体实施例方式本实施例中，将20 ml 浓度为 9 5xl0-5 mol/L(或者 3xlO_5_mol/L 或者 5x104mol/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O. 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I所示。表I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& 9.5XIO-5 mol/L;废水 PH 值为 6. 8)。
Wi W/miiT O. 10, 20. 30- 40'. 50, 60,.
染料降解率/%, O. 35. 44, 50. 12 63. 22- 72.39. 80. 25- 86. 00J-图I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·5xl0'mol/L，B曲线代表溶液浓度为3xlO—5 mol/L，C曲线代表溶液浓度为9.5χ1(Γ5 mol/
L。由图I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。
权利要求
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I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O. I 100微米、直径是I 1000纳米。
3.如权利要求I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O. 002 O. 4 g/mlo
4.如权利要求I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I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I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I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。
全文摘要
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。
文档编号C02F1/46GK102887562SQ20121043007
公开日2013年1月23日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者贾艳敏, 张俊, 武峥 申请人:浙江师范大学