鐵碳微電解材料處理工藝探究

蘇小歡 黃秋雪 莫建業(yè)

東莞理工學院城市學院 廣東 東莞 523419

鐵碳微電解技術(shù)利用鐵碳顆粒之間存在電位差，形成大量微小的原電池系統(tǒng)，污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，吸附、混凝和絮凝等作用，進一步去除污染物。但是傳統(tǒng)的鐵碳微電解方法存在易板結(jié)，利用率低，再生困難，在使用過程中受到一定的限制等問題。故高效率的微電解材料，可提高污水的處理效率，降低處理成本。本文利用Box-Behnken Design響應(yīng)曲面方法分析鐵碳微電解材料焙燒溫度、溶液pH、反應(yīng)時間等因素對活性紅印染廢水處理效果的影響，并得出最佳的處理工藝。

1 實驗部分

1.1 實驗設(shè)備

馬弗爐（KSL-1200X）；消解裝置（XJIII）；磁力攪拌器

1.2 試劑

鐵粉、活性炭、銅粉、膨潤土、碳酸氫銨、活性艷紅（均為分析純）

1.3 實驗方法

將膨潤土，碳酸氫銨，鐵，碳，銅等材料充分混合均勻，加入去離子水，制備填料小球，于烘箱以120℃烘20分鐘，后放至馬弗爐中，燒制可得規(guī)整填料[1]。將填料模擬廢水中，反應(yīng)后將溶液調(diào)pH至9，靜置1h，抽濾，測COD，通過COD去除率，探究最佳反應(yīng)條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒溫度、反應(yīng)時間和反應(yīng)pH對處理效果的影響

分別改變焙燒溫度、水樣pH值、反應(yīng)時間，探究對水樣COD的去除效果。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：焙燒溫度在700-1100℃，COD去除率變化不大，故響應(yīng)面實驗過程選取700-900℃；隨著反應(yīng)時間的變化，COD去除率逐漸提高，故響應(yīng)面實驗過程選取反應(yīng)時間為300-360min；在低pH值時，微電解反應(yīng)的電位差加大，促進反應(yīng)的進行，COD的去除率越高，故取反應(yīng)pH選取2-4進行響應(yīng)面設(shè)計。

2.2 數(shù)學建模

在前期的研究基礎(chǔ)上，設(shè)定焙燒溫度、反應(yīng)時間和反應(yīng)pH分別為800℃、120min和2。根據(jù)Box-Benhnken Design中心組合實驗設(shè)計原理[2-3]，設(shè)計三因素三水平實驗，三因素中焙燒溫度為A，反應(yīng)時間為B，反應(yīng)pH為C，響應(yīng)值Y是COD去除率，探究各操作條件間的是否存在交互作用，并進行數(shù)學建模。

通過BBD法設(shè)計17個實驗，考察各因素各水平對處理效果的影響。實驗結(jié)果顯示：本實驗擬合的方程顯著性好，焙燒溫度、反應(yīng)時間、反應(yīng)pH對三元微電解法降解活性艷紅廢水的效率影響顯著。三個因素影響程度的強弱為：反應(yīng)pH＞焙燒溫度＞反應(yīng)時間。三因素之間的交互作用為：焙燒溫度和反應(yīng)pH之間交互作用顯著；反應(yīng)時間和反應(yīng)pH之間交互作用顯著。

2.3 模型各因素對響應(yīng)值的影響

為了考察焙燒溫度、反應(yīng)時間、反應(yīng)pH之間的交互作用對COD去除率的影響，通過所得到的二次回歸模型獲得響應(yīng)面的三維圖及等高線圖。

由三維圖及等高線圖可知，在反應(yīng)時間為800℃、反應(yīng)pH為2條件下，COD去除率受焙燒溫度影響，隨其增加而增加。由顯著性檢驗可知，反應(yīng)時間與焙燒溫度的交互作用不顯著。在反應(yīng)pH等于2的條件下，反應(yīng)時間過短時，增大焙燒溫度，COD去除率有提高，但不明顯，最高才達26%。

當焙燒溫度為800℃、反應(yīng)時間330min時，COD去除率隨反應(yīng)pH的增大而減小。由顯著性檢驗可知，反應(yīng)pH與焙燒溫度間存在顯著的交互作用，在反應(yīng)時間為330min條件下，COD去除率隨反應(yīng)pH的降低以及焙燒溫度的增大而增加，最高可達50%。

當焙燒溫度為800℃、反應(yīng)pH為2時，時間越長，COD去除率越高，呈正相關(guān)。由顯著性檢驗可知，在焙燒溫度為800℃條件下，反應(yīng)時間與反應(yīng)pH間有顯著的交互作用，COD去除率隨反應(yīng)時間的增加以及反應(yīng)pH的降低而增加，最高可達50%。

2.4 最優(yōu)處理條件的確定

通過分析Design-Expert軟件獲得的二次回歸模型，最優(yōu)工藝預測條件為：在899.99℃，pH為2，反應(yīng)360min，COD去除率預測值為59.25%。在這個條件下進行實驗，測得COD去除率為58.15%，與預測值相差1.1%。本實驗三元微電解填料處理活性艷紅廢水的二次數(shù)學模型對工藝條件的優(yōu)化及COD去除率的預測有良好的可靠性。綜合實際情況及經(jīng)濟層面考慮，反應(yīng)時間為360min不合理。當反應(yīng)時間為120min時，COD去除率已達50%，而4h時間差，廢水處理效果并沒有提高很多，時間長卻沒有帶來相應(yīng)較理想的效率，故反應(yīng)時間為120min，比反應(yīng)時間為360min時更為合理。

3 結(jié)束語

本實驗三元微電解填料的材料比例為：Fe/C=2:1，Cu=4%，膨潤土為30%，造孔劑為1%。在800℃焙燒溫度，反應(yīng)pH為2，360min條件下，COD去除率可達50%。三因素的交互作用：焙燒溫度與反應(yīng)pH之間，以及反應(yīng)pH與反應(yīng)時間之間有明顯的交互作用，且三因素對三元微電解填料降解活性艷紅廢水的影響程度大小為：反應(yīng)pH＞焙燒溫度＞反應(yīng)時間。