超腐蚀铝系合金对偶氮染料的快速降解研究

摘要

以机械合金化制备的双金属合金，由于合金表面的电化学不均匀性，使表面上出现许多微小的电极而组成大量微小的电池，从而具有超腐蚀性。本研究有合金的超腐蚀性能结合铝即能和酸又能和碱反应的特性，以针对偶氮染料废水具有高浓度和碱性的难降解因素，制备了铝系合金，对具有代表性的X-3B活性艳红和酸性红偶氮染料进行了降解研究。
　　 本研究对通过机械合金化制备的铝系合金处理活性艳红进行了动力学分析，铝系合金对活性艳红表现出很好的活性和不同浓度范围适应性，对不同浓度的偶氮染料溶液降解曲线的线性分析发现能够较好的用零级反应形式表示，染料以恒定的速度降解。由于合金自催化超腐蚀形成相对染料分子过量的还原性氢，从而使反应速率常数在一定浓度范围内随着初始浓度增加而加快。
　　 通过对铝系合金降解前后的染料溶液进行了氨氮的测定和B/C的测定，还利用TG-DSC、FTIR和GC-MS的手段对反应产物进行了分析，分析发现通过机械合金化制备的铝系合金自催化超腐蚀形成的还原性氢首先攻击分子中的-N=N-和C-N键，打开以后生成苯胺、萘环和NH4+（游离氨），在还原性氢的进一步作用下，磺酸基脱落，生成了SO42-溶于溶液中，萘环被进一步降解成苯和苯的同系物，三嗪环被打开脱氯，生成游离氨和Cl-。机械合金化制备的铝系合金对偶氮染料表现出很好的还原加氢能力，降解后染料溶液的可生化性提高，有利于染料的后续生化处理。
　　 应用XRD，HRTEM、SEM等手段对Al-Cu合金反应前后做了系统的表征，表征发现在机械球磨的作用下，Cu原子扩散到Al晶体里面，形成了Al-Cu固溶体，达到了原子水平上的结合。合金降解染料的具体反应过程中发生了点蚀现象，有明显的蚀孔生成。合金对染料的降解机理具体包括点蚀过程中的电化学作用和Al(OH)3以及转化成的铝酸盐的絮凝作用，而且絮凝作用对电化学作用具有促进作用。
　　 通过本研究为染料还原降解的理论起到补充与丰富，也同时扩展了超腐蚀合金的应用范围，为超腐蚀合金技术的进一步推广奠定了基础。为盐度高，浓度变化范围大，呈碱性的印染废水的去除提供了重要思路。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 还原方法降解染料概述

1．1．1 零价单金属还原

1．1．2 双金属体系催化还原

1．2 合金的超腐蚀

1．2．1 腐蚀电池

1．2．2 电偶腐蚀

1．2．3 镁合金的超腐蚀

1．2．4 超腐蚀合金应用简介

1．3 机械合金化制备技术

1．3．1 机械合金化

1．3．2球磨粉碎的机制

1．3．3 影响机械合金化的因素

1．4 染料概述

1．4．1 应用分类法

1．4．2 化学分类法

1．4．3 影响染料显色的因素

1．4．4 偶氮染料分子结构对染料还原脱色的影响

1．4．5 染料结构对混凝作用去除偶氮染料的影响

1．5 课题立论依据

1．5．1 染料废水的环境危害

1．5．2 课题来源

1．5．3 课题研究的目的与意义

第二章 实验仪器与表征方法

2．1、实验装置与操作

2．2、实验试剂与仪器

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 试验方法

2．3．1 实验分析方法

2．3．2 透射电镜表征(TEM)

2．3．3 比表面积表征(BET)

2．3．4 热分析(TG-DSC)

2．3．5 傅立叶变换红外光谱表征(FT-IR)

2．3．6 X射线衍射(XRD)

2．3．7 扫描电镜表征(SEM)

2．3．8 气相色谱-质谱联用(GC-MS)

2．3．9 高分辨透射电镜(HRTEM)

第三章 铝铁合金还原处理偶氮染料活性艳红脱色性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 Al-Fe合金的制备

3．1．2 动力学研究

3．1．3 TEM和BET表征样品制备

3．1．4 测定氨氮的样品配制

3．1．5 测定COD和BOD5样品的配制

3．1．6 TG-DSC、FTIR样品制备

3．1．7 GC-MS样品制备

3．2 铝铁合金还原处理活性艳红动力学研究

3．2．1 化学反应动力学

3．2．2 半衰期法确定反应级数

3．2．3 零级反应

3．2．4 利用半衰期判断Al-Fe合金的脱色反应的反应级数

3．2．5．AL-Fe合金的脱色动力学

3．3 合金的表征

3．3．1 反应前后Al-Fe合金TEM表征

3．3．2 反应前后Al-Fe合金的BET变化

3．4 Al-Fe合金降解活性艳红X-3B的机理研究

3．4．1 染料溶液氨氮以及反应前后变化

3．4．2 B／C

3．4．3 TG-DSC

3．4．4 FTIR

3．4．6 GC-MS分析降解产物

3．5 本章小结

第四章 铝铜合金超腐蚀还原处理偶氮染料酸性红脱色性能研究

4．1 实验部分

4．1．1 Al-Cu合金的制备

4．1．2 XRD、TEM和BET表征样品制备

4．1．3 测定氨氮的样品配制

4．1．4 测定COD和BOD5样品的配制

4．1．5 TG-DSC、FTIR样品制备

4．1．6 GC-MS样品制备

4．2 合金的表征

4．2．1 Al-Cu合金的形貌和微观结构分析

4．2．2 反应后Al-Cu合金的HRTEM

4．2．3 Al-Cu合金的SEM分析

4．2．4 小结

4．3 降解产物分析

4．3．1 酸性红染料溶液氨氮反应前后变化

4．3．2 B／C

4．3．3 TG-DSC

4．3．4 FTIR

4．3．5 GC-MS分析降解产物

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附录