復合Fe0/C微電解填料制備及其應用概述

張燕?劉大偉 陳瑤 甘琦 于洋

摘 要 微電解技術是在沒有通電的情況下，利用鐵碳等微電解材料在廢水中形成閉合回路，以此產生電位差來處理廢水，降解有機污染物，從而達到環保的目的。目前，微電解已經在我國的化工、制藥、印染等工業廢水的處理方面得到了廣泛的應用。本研究主要是對復合Fe0/C微電解填料的制備進行分析，并探討其在丙烯腈廢水處理方面的應用可能性。

關鍵詞 微電解;丙烯腈;廢水;復合Fe0/C

隨著化工行業的發展，丙烯腈作為一種重要的化工原材料得到了廣泛的應用，但是因為其生產過程中所產生的丙烯腈廢水屬于高濃度難降解的有機廢水，且含有非常高的鹽分含量和有機質，組成十分復雜，因此處理難度較大。丙烯腈廢水中含有的丙烯腈等腈類物質及其低聚物或共聚物是降解難度非常大的污染物。而對于該類廢水的處理方法主要有電壓水解生化處理法和焚燒法，但是這些方法具有成本高、二次污染、耗能大等問題。

微電解技術也被稱為內電解法，是利用鐵、碳等在污水中形成閉合回路，從而形成無數的微型原電池，發生電化學腐蝕反應[1]。這一過程會出現電子轉移，導致污水中的污染物發生氧化還原反應，破壞污染物的結構，最終達到處理污水的目的。該工藝于20世紀70年代在發達國家開始用于污水處理，于80年代引入我國[2]。經過我國研究人員近些年的不斷研究，微電解技術因其運行成本低廉、管理維護簡單等優勢而在化工、制藥、印染等行業的工業廢水處理和預處理中得到了廣泛的應用[3]。基于此，制備復合Fe0/C微電解填料，并探究其在丙烯腈廢水處理中的應用效果。

燒結型Fe0/C復合材料主要是利用燒結工藝，來實現陰極和陽極一體化的一種Fe0/C微電解填料。由于鐵粉和活性炭的黏結性較差，很難單獨滾制成型，因此可以在燒制過程中添加適量黏土。這是因為黏土中含有大量的SiO2和Al2O3，且含量之和大于80%，經過高溫燒結之后，可以作為骨架，用來支撐Fe和C[4]。一般燒制過程中，黏土含量為60%，為了探究復合材料的最佳制備工藝，需要對Fe/C質量比、燒結溫度、燒結時間等參數進行探究。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗所用儀器請標明型號及生產廠家，藥品請注明純度（色譜純、分析純、化學純）和生產廠家。

1.2 燒結型復合Fe0/C微電解填料的制備

（1）確定Fe/C質量比

在燒結溫度600 ℃、燒結時間30 min、黏土含量為60%的條件下，選擇5∶1、4：1、3∶1、2∶1、1∶1這5種不同的Fe/C質量比制得復合材料，并對模擬廢水實施降解實驗。

（2）確定燒結溫度

按照“1.2.1”得出的Fe0/C原料配比，制備出生料球，并將所有的生料球平均分為4份，分別在1 000 ℃、800 ℃、600 ℃、400 ℃燒結30 min。對于已經成型后的復合材料的強度性能進行測量。

（3）確定燒結時間

以上述最佳材料配比和最佳燒結溫度為依據，滾制出一批生料球，平均分成3份，在溫度為700℃缺氧的條件下，分別燒制15min、30min、45min，對于成型后復合材料的強度性能進行測量。

1.3 復合Fe0/C微電解填料在丙烯腈廢水處理中的應用

應用燒結型復合Fe0/C材料作為微電解填料，探究其應用在丙烯腈廢水處理中的影響因素，如pH、HRT以及曝氣強度。

2 結果與分析

2.1 Fe0/C微電解填料的最佳制備工藝

（1）Fe/C質量比

經檢驗發現，Fe/C質量比最佳的比例為4∶1，即鐵粉32%、粘土60%、活性炭8%是制備Fe0/C復合材料的最佳配比。

（2）燒結溫度

表1為燒結型Fe0/C復合材料的強度與燒結溫度之間的關系。在400 ℃燒結溫度下，復合材料強度較低，經浸泡后易破碎，不適合使用;隨著燒結溫度的逐漸提升，SiO2和Al203形成的骨架結構更加堅固、密實，因此復合材料的強度也得到了增大;當燒結溫度達到1000 ℃時，黏土內部氣孔會大量消失，其硬度也變得極為堅固。由于過于堅固的復合材料在進行水處理時，表面難以脫落更新，會影響材料處理廢水的時間，降低使用壽命[5]，加上燒結溫度過高會導致能源消耗增加，因此燒結溫度設定為600～800 ℃為最佳。

（3）燒結時間

（4）Fe0/C微電解填料性質參數

表3所示為最佳制備工藝下燒結型復合Fe0/C微電解材料的具體性質參數。堆積密度為997.2 kg/m3，顆粒密度為1 675.0 kg/m3，可以將其視為輕集料，較小的堆積密度和較大的空隙率能夠使其在處理污水過程中提供良好的水利條件，延緩填料的板結失效時間，同時還有利于開展反沖洗。

（1）廢水初始pH對于處理效果的影響

在微電解工藝中，pH值是一個非常重要的參數。本研究通過測定Zeta電位，了解到在酸性條件下，復合材料的表面呈電負性。溶液中H+濃度在靜電力的作用下，會被吸附到復合材料的表面，得到電子，然后轉化為可以同丙烯腈產生反應的還原[H]。在溶液pH上升的過程中，復合材料表面的Zeta電位會下降，材料表面對于H+的靜電力增強，但是如果pH過高，溶液中的H+幾乎不存在。所以，H+是微電解反應中降解丙烯腈效果的一個重要因素。結果顯示，使用燒結型Fe0/C復合材料處理丙烯腈廢水的最適pH為3。

（2）HRT對于廢水處理效果的影響

在微電解工藝中，隨著HRT的增加，丙烯腈的去除率在不斷地提高，當從0.5h上升到6h，去除率會顯著提高。但是，從6h增加到12h，丙烯腈的去除率無太大變化。這是因為丙烯腈在4～6h的HRT條件下被去除，當HRT繼續增加，反應器內廢水的pH值會上升，甚至達到7。此時微電解反應會減弱甚至停止，因此廢水的丙烯腈去除率不再增加。所以，微電解反應器的最佳HRT為6h。

（3）曝氣對于廢水處理效果的影響

在3種不同曝氣量下處理丙烯腈廢水，發現與不曝氣相比，曝氣能夠在反應器內提供一個氧化環境，從而使污染物被氧化分解。同時，曝氣還可以將Fe2+氧化為絮凝作用更強的Fe（OH）3，使得污染物的去除率得到提高。因此，應在處理廢水過程中增加曝氣裝置，曝氣量設定為0.2 L/min。

3 結束語

應用燒結型復合材料Fe0/C作為微電解材料來進行丙烯腈的廢水處理，可以得到良好的處理效果，并且在連續進行處理的過程中，水質非常穩定，填料也沒有出現板結的現象，因此可以考慮將該材料應用于其他類似工業廢水的處理中。

參考文獻

[1] 鄭智波，陳治鑫.新型鐵碳微電解填料的制備及其在印染廢水的處理研究[J].廣東化工，2018，45（2）：46-47，28.

[2] 唐瓊瑤，黃磊，劉浩，等.銅渣制備微電解填料及其處理甲基橙廢水的研究[J].金屬礦山，2018，（1）：183-186.

[3] 鄒成龍，姜偉，梁吉艷，等.鐵鋅碳三元微電解填料的制備及性能研究[J].工業安全與環保，2017，43（4）：76-79.

[4] 陳驍，漆新華.鐵碳微電解填料制備及其對亞甲基藍的降解[J].環境工程學報，2017，11（4）：2041-2046.

[5] 黃德毅.復合Fe0/C微電解填料的制備及其應用于丙烯腈廢水處理的研究[D].濟南：山東大學，2015.

作者簡介

張燕（1990-），女，江蘇贛榆人;學歷：本科，助理工程師，現就職單位：連云港豪瑞生物技術有限公司，研究方向：微生物菌種篩選與培養。