水中染料之脱色研究.docx

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水中染料之脱色研究

水中染料之脫色研究

指導老師：

林文崇學生：

張旭陞、劉建宏、羅靖閔、陳笙洧

前言

染整製程所排放之染色廢水具多變性、排放量大、高色度、高COD及生物難分解等特性、已被環保署列為八大水污染源之一，其影響水體呈現顏色、阻礙光線的穿透、降低氣體的溶解度甚至有些含有毒性，影響水中生態。

染料廢水主要來源於染料及染料中間體生產行業，由各種產品和中間體結晶的母液、生產過程中流失的物料及沖刷地面的污水等組成。

廢水中的有機組分大多以芳烴及雜環化合物為母體，并帶有顯色基團（如-N=N-、-N=O）及極性基團（如3-SONa、-OH、2-NH）。

廢水中還含有較多的原料和副產品，如鹵化物、硝基物、苯胺、酚類等，以及無機鹽如NaCl、24NaSO，2NaS等。

由于染料生產品種多，並朝著抗光解、抗氧化、抗生物氧化方向發展，使染料廢水處理難度加大。

多數處理染料廢水效果有限，且部份會衍生後續污染或者處理成本相對為高，故尋求成效更佳的處理方法為目前所迫切需要。

目前染料廢水處理方法之ㄧ為電化學處理法，採用電化學處理法具有較傳統處理方法更多之優點，包括以下十點（程淑芬，2004）：

1.設備簡單易操作，且維修容易，故障率低。

2.處理水質佳，無色、無味，可以達到飲用水之標準。

3.污泥產生量少，易沉降及脫水。

4.形成較大之膠羽，含水量少且易過濾。

5.處理水之總溶解固體含量少，可作再利用。

6.電場作用有助於微小懸浮微粒之去除。

7.不需使用化學藥劑，沒有殘留及二次污染之疑慮。

8.藉由電解過程所產生之氣體，具有浮除作用，有助於污染物之濃縮及去除。

9.可去除污染物質種類廣泛，除一般常見的污染物質如重金屬、懸浮微粒、油

脂、微生物外，亦可去除溶解性的有機物、鹵化物、硝酸鹽、合成清潔劑。

10.產業應用廣泛，造紙業、礦業、金屬工業、電鍍業、食品業、

染整業等皆可採用。

本研究係以剛果紅（Congored）、茜素黃（AlizarinyellowR）、甲基綠（Methylgreen）為代表性染料，採用楊極氧化法電解處理染料達到脫色之目的，並探討其電位等較佳的反應條件，將水中染料予以有效破壞。

文獻回顧

染料廢水處理技術

目前已有多種物理、化學及生物方法皆可用於染料廢水的脫色處理，如絮凝沈澱、吸附、離子交換、超濾、滲析、化學氧化、光催化氧化、電解及生物處理方法。

惟考慮工業效率與處理成本，現階段工業較常使用絮凝沈澱、電解、化學氧化、光催化氧化、吸附、生物降解等方法，茲將常見處理技術概述如下（張博荀，2004）。

絮凝沉澱法：

在染料廢水中投加鋁、鐵鹽等絮凝劑，使其水解形成帶高電荷的羥基化合物，對水中憎水性染料分子如硫化染料、還原染料的混凝效果較好，對酸性染料、活性染料，特別是對小分子量、單偶氮鍵、含有數個磺酸基的水溶性染料的混凝脫色效率較差。

電解法：

由外部以提供電源的方式破壞原本的反應平衡並促使氧化還原

反應進行者稱之為電化學。

反應進行時，於極板間及留存於電極間之

待處理溶液將會有氧化、還原、電浮除、電混凝、電解、極化等基本

作用單獨或併同發生。

化學氧化法：

化學氧化法係利用臭氧、氯及其含氧化合物等氧化劑將染料的發色基團氧化破壞而脫色，常採用組合氧化與催化氧化法。

組合氧化法氧化能力強而無選擇性，處理H2O2能誘發O3産生羥基自由基OH⋅取代反應轉化芳烴環上的發色基團，發生開環裂解使染料脫色。

催化氧化法又可分做Fe2+-H2O2催化氧化及鐵屑-H2O2氧化法，pH=4~5時Fe2+-H2O2會催化H2O2生成⋅OH使染料氧化脫色，而pH=1~2時鐵屑-H2O2其水解産物有較強的吸附絮凝作用，可使硝基酚類、蒽醌類染料廢水色度脫除99%以上。

光催化氧化法：

採用光觸媒複合體系進行光降解是利用紫外光（UV）或可見光

使半導體激發産生電子-電洞對，破壞染料分子中的共軛發色體系和分子結構，從而使廢水脫色。

光催化氧化效率較高，無二次污染，是有前途的一種脫色方法。

吸附法：

吸附法乃利用吸附劑將水中染料吸附之方法，不同的吸附劑對染料吸附具有選擇性。

一般常見的吸附劑有活性碳、矽聚物、高嶺土、工業爐渣等，以活性碳吸附效果較好，惟使用費用昂貴。

亦有以離子交換纖維作為吸附劑，其兼有物理吸附和離子交換特性，具有比表面積大、流通阻力小、交換速度快、分割性良好及易於再生等優點。

生物降解法：

染料廢水中大部分有機物是可生物降解的，即使是苯環結構也能

被諾卡氏菌、環形小球菌分解，在輔酶作用下苯環裂解爲有機酸，最終氧化爲CO2和水。

該法對鹼性及含蒽醌結構顯色基之染料廢水有一定的脫色作用，但一般說來脫色率並不高，約50%左右。

電化學作用機制及應用:

對一密閉系統（Closedsystem）而言，在定溫、定壓下，若有一反應為aA+bB↔cC+dD（2-1）

其中A、B為反應物，C、D為生成物，a、b、c、d各為其參與反應之相對莫耳數。

若於電解槽中，施加一大於該反應電位差之的電壓，而使式（2-1）中的反應向右進行，即陽極產生氧化反應，同時使陰極產生還原反應，如此便可破壞水中之污染物並加以去除。

氧化作用

在陽極失去電子使液體中之雜質氧化，藉氧化途徑不同又可分為直接氧化（DirectOxidation）和間接氧化（IndirectOxidation）兩種（黃順興，2000）：

直接氧化：

藉由電子之轉移，將吸收於陽極表面之污染物質予以氧化破壞之程序謂之直接氧化，其反應型態乃屬於非均相反應（Hetergeneoussystem）。

間接氧化：

藉由添加輔助電解質，以作為氧化過程中所需之媒介物（Mediator），而於陽極表面形成強氧化劑，例如次氯酸根或次氯酸，來間接氧化破壞污染物質之程序謂之間接氧化，其反應型態則趨於均相反應（Homogeneoussystem）。

（a）直接陽極氧化（b）間接陽極氧化

還原作用

在電化學反應中氧化數減少（即獲得電子）者定義為還原反應。

通常氧化和還原反應是伴隨發生的，有一物質被氧化必有一物質被還原，故合稱氧化還原反應（劉世澐，2000）。

一般而言，當廢水中含有大量氯離子時，電解槽中之陰、陽極的

主要反應為（黃順興，2000）

陽極：

2Cl-→Cl2+2e-（2-2）

陰極：

2H2O+2e-→H+2OH-（2-3）

全反應：

2Cl+2OH-→H2O+Cl-+OCl-（2-4）

電泳作用

若膠體溶液置於電場中，則粒子會向其中一電極移動，此現象稱為電泳（electrophoresis）。

由於相同電荷的排斥性，故其相同電性之膠體因電荷之關係而互相遠離，難於長成較大顆粒（楊萬發，1987）。

在廢水中之雜質，如液體分子、固體微粒、浮游氣泡等，這些微小粒子常會帶電，當兩極施予電壓時，這些荷電粒子，則會向異電性電極一端移動，沈積在電極表面而與水分離。

電蝕作用

由陽極處金屬釋放出來的電子，通過金屬結構移至陰極，並在陰極處因發生表面反應而沈澱，同時使氧或水溶液離子還原。

當金屬在酸性溶液或缺氧狀況下腐蝕時，氫離子還原成原子氫，原子氫會在陰極區之金屬表面處鍍出（plateout）。

若原子氫存留在金屬表面，溶液中電子之轉移即受抑制，金屬最後便會停止腐蝕（楊萬發，1987）。

由於電蝕作用，從陽極釋放出來的活性較大之金屬離子可與水中之重金屬離子結合，或其他雜質結合而易於移除。

如以鐵為陽極，在電蝕作用作用下，釋出的鐵離子可在水中當混凝劑，在高pH下可形成氫氧化鐵Fe（OH）3混凝去除污染物質。

電解作用

經由水的電解，在陰極產生微小之2H氣泡，在陽極則產生微小之2O氣泡；再藉由氣泡與固體顆粒碰撞及吸附所形成之固體物顆粒氣泡複合物，藉其複合物密度小於水溶液密度而能向上浮除，而使固體物與水浮除分離（Bockris，1972）。

極化作用

由於極化作用可使水中之液體分子、固體微粒、浮游氣泡等雜質產生極化現象而成正、負、正、負…依序排列之粒子。

並由原先荷電相斥或不帶電不相吸引之粒子，全部轉成互相吸引之粒子。

若再加以適當攪拌，使相吸引之粒子迅速結合成團狀，便能快速與水分離（劉世澐，2000）。

電化學處理廢水應用:

目前使用電化學方法處理廢水已應用相當普遍，大致上將電化學方法分為電解氧化法、電解浮除法、電解膠凝法、電聚浮除法四種，主要是以其強調應用電化學作用之重點不同而分類（劉世澐，2000）。

1.電解氧化法：

主要是強調氧化作用，使用惰性材料如石墨、鉑、鈦基二氧化鉛等為陽極，利用電解時陽極對雜質行直接氧化或間接氧化來達到破壞污染物之目的。

2.電解浮除法：

強調電解作用，主要是以電解廢水產生氫氣及氧氣，此時廢水中之雜質將被氣泡吸附並被攜帶至液體表面而浮除之。

依電解浮除之陽陰極反應原理，陽極反應產生氧氣，陰極反應產生氫氣，而根據法拉第定律可計算出電解之水產生氫氣及氧氣的理論產氣速率（室溫25℃，每一莫耳體積24.5升）與電流之關係為Y=0.685A（2-5）

其中Y：

電解產氣速率（L⋅hr-1），A：

電流（Amp）。

3.電解膠凝法：

強調陽極電蝕及陰極電解作用，使用鐵、鋁作為陽極的材料，藉由陽極電蝕溶出金屬離子（Fe2+、Al3+），與陰極上產生之氫氧根離子反應形成氫氧化物，與溶解性有機物或無機化合物產生混凝作用，再藉由陰極電解出之氫氣浮除膠羽，去除污染物質。

4.電聚浮除法：

此法主要機制是利用電場的誘導，使粒子產生偶極化，以強化電荷凝聚之特性，再藉由流道的設計而自動凝集成膠羽，且同時在不外加空氣情況下，利用電解所產生的氣泡與膠羽充分結合，於自動浮除後將污染物去除。

雖電解法成功應用在各項廢水處理方面上，但它仍然有幾項缺點:

1.極板需時常更換：

由於電解法的基本原理是在陽極產生氧化反應，在陰極產生還原反應，藉此破壞水中雜質或有機物，因此在極板上的選擇須以能承受電化學反應為考量。

2.處理時間長：

由於電解法的化學反應都是發生在極板上，而極板與被處理水體接觸的總表面積並不大，因此要電解法處理完單位體積內的所有雜質是比較耗時間的。

3.須添加助劑：

為了提高電解效率及移除經處理後的的雜質，在電解法處理中經常需要加入輔助性電解質及混凝劑。

如此一來，雖然提高了電解法處理雜質的效能，但同時也增加了污泥量的產生，也就是加入輔助性電解質及混凝劑會造成電解法後處理上的困擾。

參考文獻

1.宋柏葦、劉宛宜、孫崇賓，“以電解氧化法將水中染料脫色之研究”，崑山科技大學環境工程系專題研究報告，2007。

2.居明、李曉宣，“處理苯胺廢水的電化學研究”，環境污染治理技術與設備，第3卷，第9期，28-30頁，2002。

3.張林生、蔣嵐嵐，“染料廢水的脫色方法”，化工環保，第20期，14-18頁，2000。

4.黃仕偉、林汀山、吳志賢，“水中染料之電解脫色研究”，崑山科技大學環境工程系專題研究報告，2006。