本文是一篇工程硕士论文，本课题研究选用了一种具备磁性的海绵铁，既可以实现可磁性回收，又可以提高其催化臭氧能力，从而达到处理高浓度亚甲基蓝溶液并提升出水水质的研究目的。
第1章绪论
1.1研究背景
水是极其重要的资源，对人类的生存和发展至关重大。根据联合国2020年公布的《世界水资源开发报告》，全球范围内人口的不断增长、经济的快速发展以及不断变化的消费模式，对水资源的需求和利用方式带来了深刻的影响，全球用水需求正在稳步增长，而灾害和气候变化等因素正在加剧缺水问题，给缺水地区带来压力[1]。中国的人口占据了世界总人口的20%，2020年中国水资源总量为29241亿立方米[2]，仅占世界总量的7.124%。31个省份中，15个省份面临缺水，600个城市中将近70%的省份面临严重缺水的状况[3]，中国水资源的分布极其不平衡，不仅存在过度开发、严重污染的问题，还面临着大量浪费这一现状。在许多国家和地区，人们已经开始感受到水资源短缺所带来的各种问题和挑战。在过去的几十年中，许多地区出现了水资源匮乏、水质恶化等问题。因此，我们需要尽快采取措施来解决水资源短缺危机。世界资源研究所的报告指出，水的可持续管理和利用是解决水危机的理想方法，这意味着我们需要在水资源的开发和利用过程中，充分考虑到环境保护、生态平衡等因素，同时也要保证水资源的合理分配和利用，只有通过可持续的水资源管理，我们才能够解决当前水资源短缺的问题，并确保未来水资源的可持续利用。中国提出了水资源管理方面的目标和要求，包括水总量、用水效率和水污染防治，旨在促进水资源的合理开发和利用，这些目标和要求的实现，需要全社会的共同努力，政府需要制定相关政策和法规，加强水资源的监管和管理；企业需要加强水资源的节约和利用效率；个人和家庭也需要从日常的生活习惯和行为入手，节约用水，减少浪费。总之，解决水资源短缺危机是一个全球性的问题，需要全球人民的共同努力。在当前全球水资源短缺和不可持续利用的情况下，只有通过可持续的水资源管理和全社会的共同努力，才能够实现水资源的合理利用和可持续发展。
1.2印染废水典型污染物及处理技术
1.2.1典型污染物
印染工业在生产过程中可能会产生一些有害物质，如苯类化合物、重金属和酚类化合物等。这些污染物的排放不仅会对环境造成污染，还会对人类健康带来潜在的危害。随着人类工业和生活方式的不断发展，污染物不断被排放到大气、水体和土壤中，给生态环境和人类健康带来了严重的威胁，还会导致废水的可生化性降低低，且具有三致毒性[16,17]。实验中通常使用刚果红、甲基橙、亚甲基蓝、甲基紫、罗丹明B等染料来模拟染料废水[18,19]。
亚甲基蓝是一种难以被降解的有机污染物，化学式为C16H18N3ClS，是一种以吩噻嗪盐为主的染料。这种物质在塑料、纸张、纺织品、食品和化妆品等领域得到了广泛的应用，尽管接触一定量的化学物质是无害的，但过度接触则会引起一系列的健康问题，比如焦虑、抑郁等问题。此外，一些人可能对某些化学物质产生过敏反应，例如打喷嚏、流鼻涕等症状。长时间接触化学物质还可能会引起腹泻、心动过速、恶心、呼吸困难和皮肤刺激等问题。所以，在处理印刷厂和涂料的废水时，必须考虑去除亚甲基蓝，所以研究亚甲基蓝的去除方法是有重大意义的[20,21]。根据现有的研究结果显示，有一些材料诸如壳聚糖[22]、石墨烯[23]、纤维素[24]和秸秆[25]等被证明具有吸附和去除亚甲基蓝的作用。此外，Fenton系统[26]、PMS系统[23]和催化臭氧[27]等催化氧化系统也已经被广泛应用于亚甲基蓝等染料的降解与去除。
第2章实验材料与方法
2.1实验材料
本次实验所用亚甲基蓝吸附量合格，执行HG/T 3491-1999标准。本实验使用药品见表2-1，配置溶液与处理样品所用水无特殊说明均为超纯水。
2.3实验方法
2.3.1催化臭氧反应器构建
本实验采用密闭玻璃锥形瓶作为反应器，通过连接氧气瓶的臭氧发生器提供实验所需的臭氧。臭氧经由不锈钢曝气头通入反应器，从而产生曝气效应。为保证反应物的混合均匀，我们在反应器内加入磁力搅拌子进行搅拌。为控制曝气量，我们在臭氧发生器的前端设置流量计。同时，通过设置于进气管上的三通阀，我们可以测定臭氧的通入浓度。为了处理实验尾气，我们在反应器尾部设置了2%的KI溶液进行吸收实验尾气的处理。以及下面加入磁力搅拌子确保反应物的混合均匀。这些措施为实验提供了良好的实验条件和操作平台，为后续实验结果的准确性和可靠性提供了保障。
2.3.2海绵铁吸附亚甲基蓝实验
本实验以亚甲基蓝模拟印染废水，研究海绵铁的吸附性能。实验操作如下：在恒定温度条件下，取200 mL规格的锥形瓶或离心管，在其中放置亚甲基蓝溶液，浓度控制在100~500 mg/L之间。控制标准初始pH值并稳定之后，将一定质量的海绵铁粉末加入亚甲基蓝溶液中。当温度为室温（25℃）时，密封锥形瓶并置于磁力搅拌器上搅拌，定时取样。取样时间设定为0、5、10、20、30、60、120、180、240 min。在其他温度体系下，将离心管置于设有恒温培养箱内，设定一定温度并恒速摇晃24 h后取样。实验结果表明影响吸附速率的主要因素大体有以下几点，溶液的pH值和温度，实验设置的海绵铁用量与接触时间以及染料的浓度。为了实现工业规模染料去除工艺的开发与建立，后续实验过程仍需探究最佳的吸附条件来达到去除率的预期值。
第3章海绵铁表征及性能研究.........................28
3.1海绵铁材料表征..................................28
3.1.1表面形貌分析..............................28
3.1.2晶体结构分析..................................29
第4章海绵铁吸附性能及动力学研究..........................37
4.1引言....................................37
4.2吸附动力学.............................37
4.3吸附等温线......................................40
第5章海绵铁催化臭氧性能及机理研究..................................49
5.1表观动力学................................................49
5.2吸附氧化协同效应...........................51
第5章海绵铁催化臭氧性能及机理研究
5.1表观动力学
为了验证海绵铁的催化效果，我们利用表观反应动力学对氧化曲线进行拟合从而计算催化臭氧氧化反应的级数。该催化氧化反应共进行30 min，分别在反应进行的0、2、5、8、10、15、20、25、30 min进行一次取样，利用分光光度计对所取样品中的亚甲基蓝进行吸光度的测定，进而得出氧化反应后剩余亚甲基蓝的浓度以便反应动力学曲线的生成。然后通过对动力学模型在不同级数下的拟合得出催化臭氧氧化反应的级数。不同级数下的反应速率方程式如表2-4所示。
图5-1表示了分别采用准一级和准二级动力学积分式对不同时间下的亚甲基蓝浓度Ct进行lnC~t图的分析结果。表5-1记录了反应动力学速率常数的曲线拟合计算结果。
结论与展望
催化臭氧氧化是一种常用的印染废水深度处理工艺，而催化剂的选择则是影响臭氧氧化效果的关键因素。然而，催化剂的回收一直是该工艺面临的难题之一，因此造成了处理成本的增加。为了解决这一问题，本课题研究选用了一种具备磁性的海绵铁，既可以实现可磁性回收，又可以提高其催化臭氧能力，从而达到处理高浓度亚甲基蓝溶液并提升出水水质的研究目的。在此过程中，我们对海绵铁对亚甲基蓝溶液的吸附和催化臭氧氧化进行了深入的研究，探究了其降解机理和工艺条件。通过实验结果的分析，我们发现海绵铁具有良好的吸附性能和高效的催化臭氧能力，可以将亚甲基蓝的去除率显著提高。此外，我们还发现，在本实验中使用的工艺条件下，海绵铁对亚甲基蓝的降解机理主要是通过氧化反应实现的。这一研究结果为铁的回收和提效提供了新的思路和方法，为印染废水深度处理工艺的优化和改进提供了科学依据和技术支持。主要结论如下：
（1）海绵铁在处理亚甲基蓝废水过程中的吸附性能和催化效果的实验中发现，海绵铁对亚甲基蓝的吸附过程符合准二级动力学与R-P等温线模型，是一种吸热自发过程。平衡吸附量可达到518.199 mg/g，表明海绵铁具有较高的吸附能力和效率。此外，我们还发现海绵铁作为催化剂能够高效利用低浓度臭氧，快速降解高浓度的亚甲基蓝废水，从而有效地提高了处理效率。在本实验中，酸性环境有利于对亚甲基蓝的去除，而盐度对其影响相对较小。
（2）在本研究中，我们测试了在10 mg/L（2 mg/min）以下臭氧环境中，投加1.0 g/L海绵铁对高浓度亚甲基蓝废水的催化臭氧处理效果。实验结果表明，在催化臭氧处理30 min后，海绵铁可将500 mg/L的亚甲基蓝废水（COD约为380 mg/L）脱色率提高至100%。当处理时间延长至60 min时，其矿化率也可达到88%，COD降至43mg/L。这表明，海绵铁能够显著提升臭氧效率，有效地提高出水水质，具有较好的处理效果。此外，我们还研究了海绵铁在处理阴离子染料和其他阳离子染料方面的性能表现。实验结果表明，该体系对于这些染料都表现出优越的去除性能，具有较好的普适性和适用性。
参考文献（略）
