物理法處理染料廢水的研究進展
摘要：介紹了近年來國內外對含染料廢水處理工藝研究的最新進展，重點介紹了物理法處理染料廢水的最新研究成果，同時對每種處理方法的優缺點進行了探討，并展望了物理法處理染料廢水新技術的發展前景。
關鍵詞：物理法；染料廢水；研究進展
目前我國染料生產能力居世界首位，每年各種染料的產量已達90萬t［1］，同時，染料制備及印染行業屬于高能耗、高污染的行業。據估算，在使用過程中約10％～20％的染料會被排入水體，按此計算全世界每年隨廢水排放到環境的染料約6萬t，而因染料生產及使用而產生的廢水約為7．5～15萬t［2］。
這類廢水具有顏色深、毒性大、COD 及BOD 值較高、組成復雜多變、排放量大、分布面廣、難降解等特點，若不經處理直接排放，將會給生態環境帶來嚴重危害。近年來，國內外對于染料廢水的處理研究十分活躍，根據處理方法不同可大致分為3類（表1）。
表1 染料廢水的各種處理方法
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在實際的廢水處理過程中常用多種方法組合，以取得最佳效果。其中物理法是將污染物進行轉移以實現凈化水體的作用，由于其不能將污染物消除，因此常常被作為染料廢水的預處理方法，以便從廢水中回收染料分子、降低鹽度及金屬離子含量，提高其可生化性。用于染料廢水處理領域的物理法包括：吸附法、膜分離技術及磁分離技術等。本文重點對物理法在染料廢水處理中應用現狀及發展趨勢做一介紹。
1 吸附法
吸附法是指用多孔固體（吸附劑）將氣體或液體混合物中一種或多種組分積聚或凝縮在表面進而達到分離目的的方法［3］。工業上使用較多的吸附劑是活性炭、離子交換樹脂等，吸附特點和效果各有不同。近年來，各種吸附劑不斷被引入染料廢水處理的研究。
1．1 活性炭吸附法
活性炭吸附法是一種應用較早的方法。該法對去除水中溶解性有機物非常有效，但它再生比較困難、處理成本較高，因此應用面窄，一般可用于濃度較低的染料廢水處理或深度處理。近年來，很多科學家通過對活性炭吸附過程的進一步了解，在吸附機理和活性炭預處理技術方面都取得了很大的進展。Arami等［4］對活性炭吸附模擬染料廢水進行了研究，以直接藍78和直接紅3為處理對象，考察了活性炭投加量、初始染料濃度及鹽濃度對污染物吸附性能的影響。結果表明：活性炭對于染料的脫色效果良好，并通過線性擬合推導出其吸收速率符合準二級動力學模型，且吸附服從Langmuir模型。
G．M．Walker等［5］研究了3種酸性染料在活性炭上的吸附行為，并研究了活性炭孔徑對吸收作用的影響，發現中孔較多的活性炭易吸附染料分子，這是由于中孔一方面對吸附有積極作用，另一方面也為吸附質的擴散提供了通道，同時Tamai Hisashi等也證實了這一結論。
活性炭吸附對于染料廢水的脫色、COD、BOD值的降低有很好的應用前景，但也面臨著活性炭的再生困難、處理費用偏高等問題。目前國內外關于活性炭的再生也有諸多報道，主要包括高溫熱解、溶劑溶解、生物降解、電化學再生及超臨界流體萃取等方法。這些方法目前都不完善，還存在炭流失量大、溶解效率低、生物降解難、處理費用高及反應條件苛刻等問題，因此限制了活性炭吸附在染料廢水處理中的應用。
1．2 樹脂吸附法
20世紀后期，隨著離子交換樹脂和吸附樹脂等功能材料的工業應用，樹脂吸附法也被引入廢水處理領域，但是在染料廢水處理領域的研究和應用相對較少。余穎［6］用樹脂NKY對活性艷藍KN-R染料的吸附行為進行了研究，并取得了較好的處理效果，陸朝陽等也對此開展了研究工作，但目前對于樹脂吸附染料的機理研究尚不完善。Yu Ying等研究了活性染料在改性后樹脂上的吸附行為，實驗表明，吸附過程符合一級動力學方程，其吸附包括物理吸附和化學吸附，但以物理吸附為主，王中華［7］也取得了相似的研究結果。
1．3 礦物及廢棄物吸附法
該法是利用天然礦物如黏土、礦石（蒙脫石、海泡石、海綿鐵等）及工業廢棄物（礦渣、煤渣）等物質來吸附染料廢水中的有機物。這些物質因其儲量豐富、價格低廉，而引起了研究的熱潮。
Vimonses等［8］研究了膨潤土、高嶺土及沸石對剛果紅的吸附效果。考察了吸附劑投放量、染料濃度、溶液酸度及反應溫度對吸附過程的影響。結果表明，其礦石結構不同，吸附行為也不同，但3種吸附劑對染料的吸附均遵循準二級吸附方程。Konduru R．Ramakrishna［9］將泥煤、鋼渣、粉煤灰等無機吸附劑對染料的吸附性能進行了研究，結果表明鋼渣和粉煤灰對染料的吸附性能堪比活性炭。李虎杰等［10］研究了酸化后的坡縷石黏土對陽離子染料的吸附性能，發現吸附率可達到92％。謝治民等［11］采用改性的海泡石吸附活性艷藍染料廢水，發現吸附60min后其脫色率達99％，吸附容量比活性炭高3～4倍。
2 膜分離法
膜分離法處理染料廢水，主要是利用膜的選擇性分離功能，對染料廢水進行處理，實現染料廢水中染料分子與水分子的分離，達到染料分子和鹽的回收及提高廢水可生化性能。
2．1 超濾與納濾
由于印染廢水中除了含有染料分子，還含有印染助劑、鹽、脂類等物質，使得膜在處理印染廢水處理過程中容易造成堵塞、污染，故研究者多采用納濾-超濾結合的方法，以處理染料廢水。
Fersi C等［12］將超濾作為納濾的前處理工序，進行了印染廢水的處理研究，結果表明，二次處理增加了膜的通量，有利于廢水的脫色，其脫色率達95％，鹽截留率為80％，2種過濾方式的疊加保持了摩通量的穩定，避免了膜污染的發生，大大增加了膜運行的時間，提高了印染廢水的處理效率。叢瑋［13］等也采用超濾-納濾雙膜工藝研究了對印染廢水的處理效果，通過研究壓力、運行時間對膜分離性能的影響，得出如下結論，超濾膜作為納濾預處理的前期工序，能夠很好地去除溶液的濁度和部分COD，納濾能夠有效地去除各種鹽類，提高染料的回收率。
2．2 反滲透
反滲透技術用于處理分子量較大的電解質及非電解質污染物。實驗結果表明，對于相對分子量＞300的污染物都可以去除，而相對分子量在100～300之間的污染物的去除率可達90％以上。而染料分子多為復雜的有機大分子，其相對分子量一般在1 000以上。因此理論上，反滲透技術對染料廢水的處理應該是高效的。范莉莉等［14］采用反滲透技術對染料廢水進行了實驗研究，處理效果明顯，COD去除率99．5％，色度由原來的4 500倍降至7倍。
該技術由于濃差極大和膜污染等問題的存在，導致運行滲透通量隨運行時間的延長而下降，同時膜的價格較貴，更換頻率較快，因此處理成本較高，阻礙了大規模的工業應用。
3 磁分離法
磁分離法是將物質進行磁場處理的一種新方法，可以實現對不同磁性物質的分離。自20世紀70年代以來，國外就研究了磁分離方法，目前該方法的應用已經滲透到很多領域，并應用于工業廢水及生活污水的處理。
印染廢水中的污染物多為弱磁性或反磁性物質，不能通過磁力直接分離，應投加磁種，并與污染物發生絮凝，進而實現分離。但染料很多是水溶性的，因此很難與磁種發生絮凝，需要對廢水中的染料進行改性，改變其水溶性，從而實現與磁種的混凝而分離。
胡春光等［15］以錳鹽、鐵鹽為原料，按照不同配比制備了磁性吸附劑，并用于對酸性紅B廢水的吸附。實驗研究了Fe含量、pH 值對吸附效果的影響，發現Fe含量的增加有利于吸附的發生，同時酸性條件下的吸附效果優于中性或堿性條件。同時通過磁分離技術可以有效地回收吸附劑。孫巍等也研究了磁分離技術在廢水處理中的應用，并取得了良好的處理效果。此外，Chen等［16］以Fe3O4為主體制備了鎂鋁雙氫氧化物的膠體微粒，并研究了對剛果紅染料廢水的處理。實驗表明，此膠體微粒對染料有很好的吸附能力，同時吸附速率也很快，5min內就可達到96％的吸附量。
4 發展趨勢
隨著科技的不斷進步，一些新的廢水處理技術也在不斷涌現，例如交聯吸附技術、超導高梯度磁分離技術、高效膜分離技術等。相信這些新技術的投入使用，會推動染料廢水處理技術的新發展。
參考文獻
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［15］胡春光，辛偉．Fe-Mn配合氧化物磁性分離酸性紅B性能的研究［J］．科學技術與工程，2009，（10）：2 692-2 697．
［16］Chen C，Gunawan P，Xu R．Self-assembled Fe3O4-layered double hydroxide colloidal nanohybrids with excellent performance for treatment of organic dyes in water［J］．J Mater Chem，2011， 21（4）：1 218-1 225．
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