鐵碳微電解技術(shù)及其在處理工業(yè)廢水中的研究進展

李子軒，王繼全

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,武漢 430070;2.湖北省工程咨詢股份有限公司,武漢 430070)

隨著工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展，各種工業(yè)廢水的排放量不斷增加，對生態(tài)環(huán)境和人體健康都造成了很大的影響。因此，我們需要研究更加高效、經(jīng)濟的工業(yè)廢水處理技術(shù)。鐵碳微電解技術(shù)是一種有機廢水預(yù)處理工藝，能夠處理多種高濃度、難降解的工業(yè)廢水，并提高廢水的可生化性，實現(xiàn)“以廢治廢”的目標(biāo)，被認為是一種綠色型、環(huán)境友好型的預(yù)處理技術(shù)[1]。該技術(shù)是利用處于溶液中鐵碳材料存在點位極差，金屬鐵經(jīng)過腐蝕而構(gòu)成無數(shù)個微原電池，這些微原電池產(chǎn)生大量的電子和活性還原物質(zhì)，能夠還原廢水中的無機污染物和有機污染物，形成膠體粒子，進一步經(jīng)過吸附、絮凝、沉淀等作用進行凈化，將水體中的污染物進行分離，從而達到去除污染物的目的[2]。由于該技術(shù)能夠較好地處理濃度高、難降解、可生化性差的有機廢水，且具有處理成本低、操作簡單等優(yōu)點，因此被廣泛運用到各種難治理廢水的預(yù)處理階段。文章介紹了鐵碳微電解技術(shù)的作用機理，綜述了鐵碳微電解技術(shù)的研究進展并總結(jié)了鐵碳微電解技術(shù)在處理工業(yè)廢水中的應(yīng)用。

1 鐵碳微電解技術(shù)的作用機理

鐵碳微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水主要是通過原電池反應(yīng)、氧化還原、絮凝、吸附沉淀和微電場附集效應(yīng)等同時作用來對廢水中的有機物進行降解。

1.1 原電池反應(yīng)

在電解質(zhì)溶液中，鐵與活性炭同時混合存在，就會形成大量的微原電池。

鐵作為陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)

Fe-2e-→ Fe2+E(Fe/Fe2+)= 0.44 V

(1)

Fe2+- e-→ Fe3+，E0(Fe3+/Fe2+)=+0.77 V

(2)

碳作為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，當(dāng)條件不同時，陰極產(chǎn)物也不相同。

厭氧條件反應(yīng)為 2H++ 2e-→ H2，E0(H+/H2)=0

(3)

酸性有氧條件反應(yīng)為 O2+4H++4e-→ 2H2O，E0(O2/H2O)=+1.23 V

(4)

O2+2H++2e-→ H2O2，E0(O2/H2O2)=+0.68 V

(5)

中性、弱堿性有氧條件反應(yīng)為

O2+2H2O+4e-→ 4OH-，E0(O2/OH-)=+0.40 V

(6)

從不同反應(yīng)條件下進行的不同反應(yīng)可以看出，酸性有氧條件下陰極的反應(yīng)電勢大于厭氧條件和中性、堿性條件下的陰極反應(yīng)電勢，表明在酸性有氧條件下反應(yīng)速率更快。

1.2 氧化還原

Fe表面以及反應(yīng)中生成的Fe2+和[H]都有很強的活性。這些分子的存在改變了廢水中有機物的結(jié)構(gòu)，因此能夠很好地對廢水進行處理，達到降解有機物的目的。

1.3 絮凝、吸附沉淀

微電解過程中產(chǎn)生的Fe2+和Fe3+進一步生成氫氧化物膠體，能夠作為絮凝劑吸附廢水中的懸浮物，使得污染物沉淀，達到去除污染物的效果。同時，這些離子會與廢水中的部分無機物反應(yīng)生成沉淀，從而達到去除無機物的效果。如Fe2+和Fe3+與S2-、CN-等反應(yīng)生成FeS、Fe3[Fe(CN)6]2、Fe4[Fe(CN)6]3等。

1.4 電場作用

鐵碳微電解體系中，陰極與陽極之間會產(chǎn)生微電場，微電場的作用隨著兩極電位差的增大而增強。廢水中的帶電粒子、膠體粒子以及部分粒徑較小的污染物會在微電場作用下朝著帶相反電荷的電極移動，隨后附集在電極上進行沉淀，從而去除部分有機物。

2 鐵碳微電解技術(shù)的研究進展

2.1 傳統(tǒng)鐵碳微電解法

傳統(tǒng)鐵碳微電解法處理成本低，運行管理簡單，目前廣泛運用于降解工業(yè)廢水的預(yù)處理階段。鄒東雷等利用制備的新型鐵碳微電解規(guī)整化填料，處理含有苯系污染物的地下水，苯系物去除率可達80 %以上。Luo等[3]研究發(fā)現(xiàn)，鐵碳微電解體系對硝酸鹽的還原效率相比單獨零價鐵體系提高了63%。

傳統(tǒng)鐵碳微電解法也常用于污泥處理、重金屬去除等方面。羅發(fā)生等采用鐵碳微電解法處理制銅廢水，結(jié)果表明，Cu2+、Pb2+、Zn2+的最高去除率分別可達到95.6%、91.8%和70.9%。Ning等[4]采用鐵碳微電解法處理印染污泥，結(jié)果表明，污泥中的胞外聚合物被破壞，處理后提高了污泥的脫水性能，污泥的絮體結(jié)構(gòu)也得到了改善。

傳統(tǒng)鐵碳微電解法對處理低濃度廢水同樣適用。蔣夢然等采用鐵碳微電解法深度處理印染廢水，結(jié)果表明，該技術(shù)不僅去除了廢水中的COD(化學(xué)需氧量)，還減弱了廢水毒性。

2.2 改性微電解法

傳統(tǒng)鐵碳微電解法雖然能夠?qū)I(yè)廢水進行處理，但處理效果不能達到廢水的排放要求，因此需要對傳統(tǒng)鐵碳微電解法進行改進。部分學(xué)者在傳統(tǒng)鐵碳微電解體系中加入Al、Cu、Zn等金屬對其改性，增加溶液中原電池的數(shù)量，提高催化反應(yīng)的速率，從而達到提高廢水處理效果的目的[5]。楊曉明等利用少量的羧甲基纖維素鈉和燒結(jié)而成的鋁碳粒，采用鋁碳微電解法降解酸性品紅模擬廢水，在鋁碳質(zhì)量比1∶1、廢水pH 10～11、焙燒溫度在1 000 ℃的條件下焙燒2 h，結(jié)果表明，COD去除68.2%，色度去除90%。李彤等將錳粉加入到傳統(tǒng)鐵碳微電解材料中，制備出鐵錳碳改性微電解材料，并將其用于處理1 000 mg/L的模擬對苯二酚廢水，對苯二酚去除率可達到95.55%。相比鐵碳材料，鐵錳碳材料的去除效果有很大的提高，并且能夠拓寬廢水pH的適用范圍[6]。

3 鐵碳微電解技術(shù)在處理工業(yè)廢水中的應(yīng)用

3.1 印染廢水處理

印染廢水有機物含量高、含鹽量高、色度大、成分復(fù)雜、可生化性差，并且具有毒性，是難處理廢水之一。利用鐵碳微電解技術(shù)對印染廢水進行處理，具有高效、處理成本低、二次污染小等特點[7]。張鍵等采用鐵和碳流化床反應(yīng)器，對色度為1 500倍、CODCr為3 750 mg/L的原廢水進行處理。結(jié)果表明，廢水色度去除90%，CODCr去除77%。

3.2 醫(yī)藥廢水處理

制藥過程由于藥品種類多、制藥工序不同，因此產(chǎn)生的制藥廢水具有成分復(fù)雜、有毒性、可生化性差等特點。將鐵碳微電解法用于處理醫(yī)藥廢水取得了較好的效果。Xu等[8]利用鐵碳微電解技術(shù)聯(lián)合Fenton體系處理CODCr為15 000 mg/L的類膽固醇激素生產(chǎn)廢水，在初始pH值為4、填料廢水體積比為1∶1、氣水比為10∶1的條件下反應(yīng)180 min，CODCr去除了31.8%，B/C(BOD5(生化需氧量)/COD，表示廢水的可生化降解特性)提高了70%，F(xiàn)enton反應(yīng)中CODCr去除了30.1%，B/C提高到0.59。

3.3 電鍍廢水處理

電鍍廢水中存在大量的有毒金屬離子，污染物種類多，且不同工藝產(chǎn)生的電鍍廢水所含有的重金屬離子不同。鐵碳微電解技術(shù)因其處理電鍍廢水效果較好且不產(chǎn)生二次污染而得到廣泛應(yīng)用[9]。Wang等[10]應(yīng)用新型的超重力電化學(xué)反應(yīng)器使廢水中的金屬離子更好地混合，達到加快反應(yīng)速度的目的。在外加電流10 mA/cm2、初始pH為11、轉(zhuǎn)速為200 r/min的條件下，Cu2+、Cr6+、Ni2+的去除率分別為99.54%、97.85%和98.37%。

3.4 飲用水處理

目前，鐵碳微電解技術(shù)在飲用水除Cr6+、硝酸鹽等方面有相關(guān)研究。李春霞對利用鐵碳微電解技術(shù)去除飲用水中濃度為1 mg/L的Cr6+進行了研究。結(jié)果表明，在鐵碳質(zhì)量比7∶3、固液比為14∶100、25 ℃的條件下，Cr6+可去除95%左右。

4 結(jié) 論

鐵碳微電解技術(shù)作為一種經(jīng)濟環(huán)保的水處理技術(shù)，具有設(shè)備簡單、適用范圍廣、可重復(fù)利用等特點，目前已廣泛應(yīng)用于處理印染廢水、醫(yī)藥廢水等行業(yè)廢水。在此綜述中，鐵碳微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水的反應(yīng)機理對新型微電解技術(shù)的研究和與其他工藝聯(lián)合的實際應(yīng)用都有意義。因此，在未來的研究中，需要尋求與其他工藝聯(lián)用的方案和新型微電解材料，在提高處理效果的基礎(chǔ)上降低成本，擴大其應(yīng)用范圍。