微電解陶瓷材料處理印染廢水的研究

王躍超 劉成寶 陳豐

摘 要 本研究以蘇州土、鐵粉與活性炭粉末等為主要原料制成新型微電解陶瓷產(chǎn)品，探討了產(chǎn)品鐵碳比、孔隙率、曝氣池曝氣工藝等因素對處理印染廢水效果的具體影響。

關(guān)鍵詞 微電解；三元體系；印染廢水；鐵碳；孔隙率

0 前 言 微電解法是利用金屬腐蝕原理，形成原電池對廢水進(jìn)行處理的良好工藝，又稱為內(nèi)電解法、零價鐵法、鐵屑過濾法、鐵碳法。是一項被廣泛研究與應(yīng)用的廢水處理技術(shù)。因其工藝簡單、操作方便且可達(dá)到“以廢治廢”的目的，近年來受到廣泛重視。 鐵碳微電解是當(dāng)將鐵屑和碳顆粒浸沒在廢水中時，由于鐵和碳之間的電極電位差，廢水中會形成無數(shù)個微原電池。這些細(xì)微電池是以電位低的鐵成為陽極，電位高的碳做陰極，在含有電解質(zhì)的水溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的。反應(yīng)的結(jié)果是鐵受到腐蝕變成二價的鐵離子進(jìn)入溶液。由于鐵離子有混凝作用，它與污染物中帶微弱負(fù)電荷的微粒異性相吸，形成比較穩(wěn)定的絮凝物（也叫鐵泥）而去除。其中電位低的鐵成為陽極，電位高的碳成為陰極，在酸性充氧條件下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)過程如下： 陽極（Fe）： Fe→ Fe2++2e 陰極（C）：2H++2e→2[H]→H2 反應(yīng)中，產(chǎn)生的了初生態(tài)的Fe2+和原子H，它們具有高化學(xué)活性，能改變廢水中許多有機(jī)物的結(jié)構(gòu)和特性，使有機(jī)物發(fā)生斷鏈、開環(huán)等作用。 若有曝氣，即充氧，還會發(fā)生下面的反應(yīng)： O2+2H2O+4e→4OH-； O2+4H++4e→2H2O； 2Fe2++O2+4H+→2H2O+2Fe3+ 反應(yīng)中生成的OH-是出水pH值升高的原因，而由Fe2+氧化生成的Fe3+逐漸水解生成聚合度大的Fe（OH）3膠體絮凝劑，可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，從而增強(qiáng)對廢水的凈化效果。 本文以蘇州土、鐵粉與活性炭粉末等為主要原料燒制成新型微電解陶瓷產(chǎn)品，研究鐵碳比對處理印染廢水的影響；并制備出不同孔隙率的產(chǎn)品，研究孔隙率對處理印染廢水的影響；在曝氣池中研究曝氣工藝對用鐵碳材料處理印染廢水的影響。1 試 驗1.1試驗原料 鐵粉（純度95%，D50=200μm）、碳粉（純度99%，D50=100μm）、銅粉（純度98%，D50=100μm）、蘇州土（機(jī)選1號）、長石、碳酸鈣，酸性大紅GR（純度99%，南京染料廠）。1.2樣品制作 根據(jù)實驗需要按不同配方稱取原料，加入0.4%羥甲基纖維素鈉和適量的水，球磨5h后，采用注漿成型制作出尺寸為Φ10mm×10mm尺寸的圓柱型坯體，坯體在80℃下干燥2h，然后在1 200℃還原氣氛下燒成。 用1%濃度酸性大紅溶液模擬印染廢水，投入鐵碳電解材料樣品，測試投入前后廢水溶液COD，研究不同樣品的COD去除率。將模擬廢水放入曝氣反應(yīng)器中，投入鐵碳材料樣品，研究曝氣對處理印染廢水的影響。1.3測試 排水法測試樣品的氣孔率；用COD測試儀（連華科技5B-6C）檢測廢水處理前后的COD，計算出COD去除率；用色度儀測廢水色度，計算出色度去除率。2 分析與討論2.1材料中碳鐵比對廢水處理的影響 研究鐵碳比對處理效果的影響時，采用固定的因素條件為：①材料配方中除鐵碳外其他均相同，制備工藝也相同，制成樣品尺寸也相同。②相同質(zhì)量的廢水中投入相同質(zhì)量的樣品③相同的反應(yīng)時間，相同的處理工藝。 樣品中鐵碳質(zhì)量比采用7個梯度，分別為：7：1、6：1、5：1、4：1、3：1、2：1、1：1，在不曝氣的條件下，在7組500ml的廢水（濃度為1%的酸性大紅溶液）中投入各100g的樣品，在曝氣的情況下停留3h后，分別測試其COD去除率，得到表1。 從表中可以看出，從Ⅰ→VII，隨著樣品中鐵碳比例的降低，COD去除率先提高后降低。分析其原因為：在鐵碳材料中，碳的目的就是與鐵形成原電池效應(yīng)來促進(jìn)廢水中污染物的降解。當(dāng)樣品中碳量低時，增加碳含量，可使體系中的原電池數(shù)量增多，提高對有機(jī)物等的去除效果；但當(dāng)碳含量過量時，鐵含量不足，使得體系中原電池數(shù)量減少，反而抑制了原電池的數(shù)量，更多表現(xiàn)為碳粉的吸附作用。 通過實驗我們得出：在處理印染廢水時，鐵碳微電解陶瓷材料中鐵碳的質(zhì)量比在5∕1時，COD去除率最高。 2.2摻雜元素Cu對產(chǎn)品性能的影響 我們選用Cu作為摻雜元素，分別在微電解材料中添加占鐵碳總質(zhì)量0%、2%、4%、6%、8%的Cu，制成Fe-Cu-C三元微電解體系。 將200g相同形狀不同Cu加入量的樣品分別投入到1 000ml的GR廢水中，分別測試30min、60min、90min、120min、150min、180min后的COD去除率見圖1。 由圖1中可以看出Cu的加入提高了反應(yīng)速率，而且增強(qiáng)了去除效果。分析原因為，一方面Cu加入后和Fe形成雙金屬還原體系加強(qiáng)了還原反應(yīng)，增強(qiáng)了處理效果；另一方面，Cu是一種良好的導(dǎo)體， Cu的引入可以促進(jìn)微電極反應(yīng)產(chǎn)生電子的快速分離，加快了Fe的溶解速度，使鐵離子數(shù)量增加，絮凝作用和氧化還原作用增強(qiáng)，從而提高反應(yīng)效率。 但是當(dāng)Cu含量增加到Fe-C總量的6%時，Cu的增強(qiáng)效果明顯減弱，而且在反應(yīng)后期，COD的處理效果明顯不如Cu含量低的樣品，分析原因是隨著Cu含量的增加，使微電解材料中Fe和C的比例降低，使得材料中Fe-C原電池的數(shù)量減少，取而代之的是Fe-Cu原電池，由于Fe-Cu電勢差較Fe-C低，因此產(chǎn)生的電場弱，電化學(xué)附集能力低，因此，反應(yīng)后期處理效果降低。2.3材料氣孔率對廢水處理的影響 研究材料氣孔率對處理效果的影響時：保證相同鐵碳含量及鐵碳比，通過調(diào)節(jié)蘇州土、長石和碳酸鈣的比例制備出不同氣孔率的樣品，表2為不同配方樣品的氣孔率。 將200g相同形狀不同氣孔率的樣品分別投入到1 000ml的GR廢水中，分別測試3h、6h、12h、24h、48h、72h后的COD去除率見圖2。 從圖2中可以看出，在反應(yīng)初期，材料氣孔率越高，COD去除率越高，分析原因是由于氣孔率高，材料比表面積大，反應(yīng)活性更高，反應(yīng)速度快，此時的COD去除率高；但隨著反應(yīng)時間的增加，COD去除率趨于平穩(wěn)，說明反應(yīng)后期COD去除率受氣孔率影響明顯減小，分析原因，反應(yīng)初期氣孔率高的樣品釋放出了更多的Fe，但隨著時間的推移，由于材料中所含鐵碳比，鐵碳含量相等，材料中所釋放出的鐵碳總量一定，因此對廢水中的COD去除率趨于相同。 因此，采用鐵碳微電解材料處理廢水時，材料的氣孔率能增加材料的活性，提高反應(yīng)效率，能夠有效縮短廢水處理的時間。2.4曝氣的影響 在曝氣池進(jìn)行廢水處理試驗，選取不曝氣和曝氣兩種試驗方式進(jìn)行試驗，其他參數(shù)設(shè)定如下：進(jìn)水酸性大紅GR濃度為1%，溶液pH=5，反應(yīng)時間為3h，得出結(jié)果見表 3所示。 由表3可知，在曝氣條件下的COD去除率比不爆氣條件高10%以上，分析其原因：曝氣使水中的O2含量增加，易和水反應(yīng)生成H2O2，而H2O2與反應(yīng)產(chǎn)生的Fe2+組成芬頓試劑，生成具有強(qiáng)氧化性的自由基，能將有機(jī)物迅速氧化成小分子；另外，氧氣的存在和酸性條件的共同作用，促使2Fe2++O2+4H+→2H2O+ 2Fe3+，反應(yīng)產(chǎn)生大量的Fe3+，而Fe3+水解產(chǎn)物的絡(luò)合絮凝作用比Fe2+水解產(chǎn)物更強(qiáng)，可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，從而增強(qiáng)對廢水的凈化效果。 不曝氣條件下的色度去除率高于曝氣條件下，分析其原因是由于曝氣條件下，O2與染料分子爭奪陽極電子導(dǎo)致染料的不完全還原造成的，但兩者僅相差1%左右，這表明曝氣對脫色效果的影響并不是太明顯。 試驗結(jié)果表明曝氣對微電解降解酸性大紅GR過程是有利的。3 總 結(jié) （1）微電解陶瓷材料中，鐵碳質(zhì)量比在5/1時，對印染廢水處理的效果最明顯。 （2）在處理印染廢水時，Cu的加入可以提高反應(yīng)速率，增強(qiáng)去除效果；但是銅含量應(yīng)控制在Fe-C總質(zhì)量的6%以內(nèi)，過多的銅加入反而會降低去除效果。 （3）提高微電解陶瓷材料的氣孔率，能夠有效提高微電解材料的活性，提高反應(yīng)效率，縮短廢水處理的時間。 （4）曝氣能夠有效提高微電解材料處理廢水效率，提高COD去除率。參 考 文 獻(xiàn)[1]李天鵬，荊國華，周作明.微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].工業(yè)水處理.2009（29）：10-13[2]舒文勃，楊娜娜，杜敏娟，李琛.鐵炭微電解技術(shù)在制藥廢水預(yù)處理中的研究與應(yīng)用[J].杭州化工.2010（3）：4-8[3]曹雨平，劉亞凱，鄧陽清.三元微電解體系在廢水處理中的實驗研究[J].工業(yè)水處理.2011（12）：66-68[4]秦樹林.多元微電解技術(shù)對高濃度化學(xué)清洗廢水預(yù)處理的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報.2012（10）：3563-3567[5]田京雷，馬娥.新型鐵碳活性焦處理工業(yè)廢水的應(yīng)用分析[J].寬厚板.2013（5）：29-31[6]姜興華.強(qiáng)化鐵碳微電解技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用研究[D].蘇州科技學(xué)院碩士論文.2009