鐵炭微電解處理染料廢水試驗(yàn)研究

王曉晶　王志豪　王左棟

實(shí)驗(yàn)自制了鐵炭微電解填料，并用于處理染料廢水。試驗(yàn)結(jié)果表明，該填料對(duì)染料廢水脫色效果明顯，在填料投加量為40g/L、pH為4、反應(yīng)時(shí)間為2.5小時(shí)的條件下，鐵炭微電解對(duì)染料去除率達(dá)到88.9%

我國(guó)是世界上染料的生產(chǎn)和出口大國(guó)，因此染料廢水成為重要的環(huán)境污染源之一，對(duì)染料廢水的處理研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。染料廢水一般具有有機(jī)物濃度高、色度高、成分復(fù)雜、無機(jī)鹽含量大、脫色困難等特點(diǎn)，是一種典型的難降解有機(jī)廢水[1，2]，如果未經(jīng)處理直接排放，將對(duì)周圍水體造成嚴(yán)重污染，影響人們的正常工作生活。

鐵炭微電解技術(shù)是利用鐵和炭形成微電池，通過電化學(xué)腐蝕、氧化還原、物理吸附、絮凝沉淀等過程實(shí)現(xiàn)污染物去除。目前，鐵炭微電解技術(shù)已廣泛應(yīng)用于染料脫色、印染、化工等難降解有機(jī)廢水中。

本實(shí)驗(yàn)采用鐵炭微電解和Fenton試劑氧化技術(shù)對(duì)酸性嫩黃染料廢水進(jìn)行處理，以考察二者對(duì)染料的脫色效果。

1 材料與方法

1.1 鐵炭微電解填料的制備

將還原性鐵粉、粉末活性炭、粒徑小于100目的粘土作為原料，按照質(zhì)量百分比鐵粉：活性炭：粘土=70%：15%：15%量取，加入適量的水充分?jǐn)嚢杌靹颍瞥?mm-10mm的顆粒狀填料。將填料放入烘箱，于30～500C烘干，然后將干燥的填料移入管式爐，在隔絕氧并通入N2的情況下，于8000C下焙燒2小時(shí)。待焙燒結(jié)束、冷卻后，制得定型的鐵炭微電解填料。制得的填料具有良好的比表面積，能夠有效防止填料表面鈍化及填料的板結(jié)。

1.2 模擬染料廢水的配制

準(zhǔn)確稱取0.1g酸性嫩黃染料，用蒸餾水溶解后移入容量瓶，定容至1000mL，配制成濃度為300mg/L的模擬染料廢水。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

鐵炭微電解實(shí)驗(yàn)步驟[3]：取100mL酸性嫩黃模擬染料廢水放入250mL的錐形瓶中，調(diào)節(jié)一定的pH后，再分別加入一定的鐵炭填料，在室溫下于電熱恒溫振蕩水槽中反應(yīng)一定的時(shí)間，測(cè)定上清液的染料濃度。

1.4 分析方法

①染料濃度的測(cè)定

分別配制濃度為20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、120mg/L的酸性嫩黃染料在420nm處分別測(cè)定其吸光度，繪制染料濃度與吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，水樣中染料濃度的測(cè)定通過測(cè)定吸光度后計(jì)算確定。

②pH

pH由pH計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鐵炭微電解處理效果的影響

在常溫、pH為7、填料投加量為1g的條件下，分別取100mL模擬染料廢水加入7個(gè)250mL錐形瓶中，放入電熱恒溫振蕩水槽中振蕩，每隔30min時(shí)測(cè)定處理后水樣中的染料，并計(jì)算去除率，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見，反應(yīng)開始階段隨著反應(yīng)時(shí)間的推移，染料的去除率也在上升。在150分鐘時(shí)染料的去除率達(dá)到19.4%，但是此后再增加微電解處理時(shí)間，染料的去除率增加不大。脫色率升高有兩部分原因促成[3， 4]，主要是反應(yīng)剛開始時(shí)活性炭對(duì)染料的吸附作用導(dǎo)致染料降低，脫色率增高；另外，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵的腐蝕速度也在減緩，易降解物質(zhì)基本反應(yīng)完全，難降解物質(zhì)反應(yīng)在此條件下很難被破壞。微電解作用破壞了一部分染料的偶氮發(fā)色基團(tuán)，使得染料下降的同時(shí)破壞了染料較為穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu)，染料的大分子結(jié)構(gòu)被分解為小分子結(jié)構(gòu)[5]，本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)處理2.5小時(shí)后，脫色率變緩，選擇反應(yīng)時(shí)間為2.5小時(shí)。

2.2 填料投加量對(duì)鐵炭微電解處理效果的影響

在常溫、pH為7、反應(yīng)時(shí)間為2.5小時(shí)的條件下，分別取100mL模擬染料廢水加入7個(gè)250mL的錐形瓶中，分別加入0.5g、1g、2g、3g、4g、5g、6g填料，測(cè)定反應(yīng)結(jié)束時(shí)的吸光度，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著填料投加量的增加，染料的去除率也逐漸增大。當(dāng)填料投加量達(dá)到4g時(shí)，染料去除率達(dá)到49.78%，但是此后再增加微電解填料投加量，染料的去除率增加便不明顯。理論上來說，隨著鐵炭微電解填料投加量的增大，形成的鐵炭微電極數(shù)量就會(huì)增加內(nèi)電解作用加劇，溶液中的Fe3+所產(chǎn)生的混凝作用也隨之加劇，這兩者的聯(lián)合作用使得一開始脫色率逐漸增大[6]，而后再加入的填料對(duì)整個(gè)微電解反應(yīng)的促進(jìn)作用就不會(huì)太明顯。綜合考慮，選擇最佳填料投加量為4g。

2.3 pH值對(duì)鐵炭微電解處理效果的影響

在常溫、反應(yīng)時(shí)間為2.5小時(shí)、填料投加量為4g的條件下，分別取100mL模擬染料廢水加入7個(gè)250mL的錐形瓶中，改變?cè)旱膒H值，使之分別為1、2、3、4、5、6、7，時(shí)間結(jié)束時(shí)測(cè)定處理后水樣中的染料濃度并計(jì)算去除率，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，廢水pH值對(duì)鐵炭微電解的處理效果影響較大，反應(yīng)在酸性條件下效果較好，在接近中性條件下對(duì)染料的去除率降低。在pH為4時(shí)處理效果最為理想，脫色率達(dá)到88.9%。pH值太低，耗酸量增加，同時(shí)對(duì)鐵炭微電解填料的耗用和腐蝕也增加。pH值低于4或高于4處理效果會(huì)變差。從理論上分析可以發(fā)現(xiàn)在酸性條件下，填料中鐵粉的腐蝕加快，由電極反應(yīng)生成具有很強(qiáng)活性的新生態(tài)[H] [7，8]，可以破壞一些發(fā)色基團(tuán)或者是助色基團(tuán)的結(jié)構(gòu)，使廢水的色度降低；與此同時(shí)反應(yīng)生成的Fe2+在出水時(shí)pH呈中性或是堿性且有氧存在的條件下，可以形成Fe（OH）2直至Fe（OH）3 ，這樣生成的絮狀沉淀，通過吸附和絮凝作用，將廢水中的污染物去除。但酸性過強(qiáng)，會(huì)使處理后的水中含有大量的Fe2+和Fe3+，使得出水水樣的色度加深，對(duì)脫色效果造成了一定的影響。同時(shí)溶液中多余的H+還會(huì)破壞已經(jīng)形成的絮凝體，使得處理效果變差，綜合考慮，鐵炭微電解最佳的反應(yīng)pH為4。

2.4 填料各功能單元對(duì)染料去除比例分析

為考察填料中活性炭、粘土、鐵粉等各成分對(duì)染料去除率的影響所占的比重，我們?cè)趐H為4、反應(yīng)時(shí)間為2.5小時(shí)的最佳反應(yīng)條件下，加入同樣比例的活性炭和粘土來驗(yàn)證其對(duì)染料的脫色效果。分別取0.6g活性炭和粘土加入100mL的原液中，調(diào)節(jié)pH至4，然后將錐形瓶放入電熱恒溫振蕩水槽中反應(yīng)2.5小時(shí)，測(cè)定其染料濃度，其染料去除率為18.1%。填料各功能對(duì)染料的去除效率分布如圖4所示。

由圖4可見，在總的88.9%的染料去除率中，粘土和活性炭的去除效果僅占到20%，而剩下80%比例的染料是通過微電解去除，說明制備的填料充分發(fā)揮了微電解的作用。

3 結(jié)論

（1）自制鐵炭微電解填料處理酸性嫩黃模擬染料廢水，最優(yōu)工藝參數(shù)為填料投加量40g/L、pH值為4、反應(yīng)時(shí)間為2.5小時(shí)。經(jīng)過處理，染料去除率達(dá)到88.9%。

（2）在染料的去除中，鐵炭微電解各功能單元對(duì)染料的去除分布為：炭與粘土占20%，而微電解作用，去除的燃料占80%。

（作者單位：煙臺(tái)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站）