零價(jià)鐵還原處理卷煙焦油廢水

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，煙草行業(yè)得到了快速發(fā)展。卷煙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水中含有大量的高濃度有害物質(zhì)，若直接排放到大自然中會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境污染［1］。由我國卷煙廠的廢水排放狀況調(diào)查統(tǒng)計(jì)可知，卷煙廠廢水排放量為每箱煙0．35 －0．60m3［2-3］。煙草廢水中較難處理的是焦油廢水，其含有大量的有機(jī)物，COD、色度較高，可生化性差［4］。目前國內(nèi)卷煙廠在污水處理方面已采用的處理方法主要有物化處理、生化處理以及兩者相結(jié)合的處理等［5-6］。本研究采用零價(jià)鐵還原卷煙焦油廢水，考察了不同因素對(duì)處理效果的影響，為該類廢水的達(dá)標(biāo)排放提供一條嶄新的途徑。

2 實(shí)驗(yàn)方法

卷煙焦油廢水的原水樣色度較深，深棕色，氣味大，較粘稠，水樣中的CODCr含量高。將原水樣稀釋約1300 倍(稀釋完后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果可行) 。稀釋后的水樣呈土色，色度比原水樣小，水樣中的CODCr值大大降低。通過多組無針對(duì)性實(shí)驗(yàn)可得大致的實(shí)驗(yàn)藥品投加量和實(shí)驗(yàn)條件:廢水中NaCl 質(zhì)量濃度在200 mg /L 左右，鐵粉量在20 g /L 左右，pH值在3 左右，攪拌時(shí)間在30 min 左右。通過機(jī)械攪拌器進(jìn)行攪拌使反應(yīng)充分進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后用氫氧化鈉調(diào)節(jié)水樣的pH 值至10 左右，測(cè)定處理后水樣和原水樣的CODCr值，得出CODCr的去除率。

3 結(jié)果分析

3．1 鐵粉量的影響

取60mL 稀釋過的水樣于五個(gè)燒杯中，分別加入相同量的NaCl 0．012 g(200 mg /L) ，各燒杯分別加入0．5 g(8．3 g /L) 、0．8 g(13．3 g /L) 、1．2 g(20g /L) 、1．5 g(25 g /L) 、1．8 g(30 g /L) 鐵粉，調(diào)節(jié)廢水pH 值均為3，攪拌30 min 后測(cè)定各水樣CODCr值，結(jié)果見圖1。

由上圖可知，最佳鐵粉量為1．2 g(20g/L) 。不同量的零價(jià)鐵與相同量的鹽酸反應(yīng)，反應(yīng)的程度會(huì)有所區(qū)別。零價(jià)鐵過少，與鹽酸反應(yīng)不充分，鹽酸有剩余; 零價(jià)鐵過多，與鹽酸反應(yīng)過分，零價(jià)鐵有剩余，所以當(dāng)零價(jià)鐵與鹽酸的反應(yīng)較完全的時(shí)候，兩者中任意一方的剩余量為最低，化學(xué)反應(yīng)最佳，反應(yīng)效果最好。

3．2 pH 值對(duì)CODCr去除率的影響

取60mL 稀釋過的水樣于五個(gè)燒杯中，分別加入相同量的NaCl 0．012 g(200 mg /L) ，鐵粉量1．2g(20g /L) ，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液的pH 值，使五個(gè)燒杯中溶液的pH 值依次為1，2，3，4，5，攪拌30 min 后測(cè)定各水樣CODCr值，結(jié)果見圖2。

由上圖可知，最佳pH 值為2。鹽酸過少，與零價(jià)鐵反應(yīng)不充分，零價(jià)鐵有剩余; 鹽酸過多，與零價(jià)鐵反應(yīng)過分，鹽酸有剩余，所以當(dāng)零價(jià)鐵與鹽酸的反應(yīng)較完全的時(shí)候，兩者中任意一方的剩余量為最低時(shí)，化學(xué)反應(yīng)最佳，反應(yīng)效果最好。在上述實(shí)驗(yàn)中，由CODCr的去除率可知，酸的pH 值為2 為最佳值，即與零價(jià)鐵的反應(yīng)最充分，最完全。

3．3 氯化鈉投加量對(duì)CODCr去除率的影響

取60mL 稀釋過的水樣于五個(gè)燒杯中，分別加入0．010 g(166．7 mg /L) 、0．012 g(200 mg /L) 、0．015 g (250 mg /L) 、0．018 g (300 mg /L) 、0．020 g(333．3 mg /L) 的氯化鈉，加入相同量的鐵粉量1．2g(20 g /L) ，調(diào)節(jié)溶液的pH 值為2，攪拌30 min 后測(cè)定各水樣CODCr值，結(jié)果見圖3。

由上圖可知，最佳氯化鈉的量為0．018 g(300mg /L) 。加入氯化鈉的原因有兩個(gè)，第一是因?yàn)槁然�鈉在攪拌過程中作為電解質(zhì)，可以增加溶液的導(dǎo)電性; 第二是由于鐵屑表面會(huì)產(chǎn)生氧化膜，即氧化鐵，所以在酸性條件下，氯化鈉可以與氧化鐵反應(yīng)，去除鐵屑表面的氧化膜，防止其鈍化，使反應(yīng)更充分。但是，加入氯化鈉對(duì)實(shí)驗(yàn)也有不良影響，在水樣處理完畢后，用重鉻酸鉀法測(cè)量水樣中CODCr值時(shí)，氯化鈉中的氯離子就會(huì)成為干擾離子，對(duì)水樣中CODCr的測(cè)定有影響。

3．4 攪拌反應(yīng)時(shí)間對(duì)CODCr去除率的影響

取60mL 稀釋過的水樣于五個(gè)燒杯中，分別加入相同量的NaCl 0．018 g(300 mg /L) ，然鐵粉量1．2g(20 g /L) ，調(diào)節(jié)溶液的pH 值為2，各燒杯攪拌時(shí)間對(duì)分別為30，45，60，75，90 min 后測(cè)定各水樣CODCr值，結(jié)果見圖4。

由上圖可知，最佳攪拌時(shí)間為75min，通過攪拌Fe 和水樣充分接觸，水樣中的各種反應(yīng)也可以充分地進(jìn)行，有利于去除水樣中的有機(jī)物。但是，如果攪拌反應(yīng)時(shí)間太長，水樣中發(fā)生的各種反應(yīng)達(dá)到一種平衡，將不再進(jìn)行反應(yīng)。所以，在系統(tǒng)進(jìn)行了一定時(shí)間的反應(yīng)以后，CODCr的去除率幾乎不再變化，趨于平穩(wěn)。

3．5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過單因素實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)已經(jīng)找到了各個(gè)因素的最佳值，下面就需要通過正交試驗(yàn)來找出什么水平的組合是最好的，能使去除率達(dá)到最大。正交試驗(yàn)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法。

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已得出了四個(gè)因素的最佳值，把這四個(gè)因素作為變量，以最佳值為中心數(shù)，上下各再取一數(shù)值，做一個(gè)四因素三水平的正交試驗(yàn)。

由上表可知，該實(shí)驗(yàn)的最佳組合條件為氯化鈉量為0．024 g(400 mg /L) ，鐵粉量為1．8 g(30 g /L) ，pH 值為2，攪拌時(shí)間為75 min，在該條件下，CODCr的去除率達(dá)到最大值。

氯化鈉的量的極值為6．6，鐵粉量的極值為9．5，pH 的極值為3．6，攪拌時(shí)間的極值為10．2，所以攪拌時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響最大，鐵粉量次之，氯化鈉的量第三，pH 值影響最小。在實(shí)驗(yàn)中存在著誤差，有人為誤差和儀器誤差，人為誤差主要是因?yàn)樵谡{(diào)節(jié)溶液pH 值時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，就用pH 試紙代替pH 計(jì)，在測(cè)量過程中，通過肉眼與試紙的對(duì)比來確定pH 值，所以可能存在同一pH 值下鹽酸的量加多或加少的情況，這時(shí)攪拌時(shí)間的影響就會(huì)增大，即鐵與鹽酸的反應(yīng)是否充分。

在實(shí)驗(yàn)中，加入鐵粉的同時(shí)也加入了氯化鈉，這是因?yàn)槁然�鈉在攪拌過程中作為電解質(zhì)，可以增加溶液的導(dǎo)電性，同時(shí)，由于鐵屑表面會(huì)產(chǎn)生氧化膜，即氧化鐵，所以在酸性條件下，氯化鈉可以與氧化鐵反應(yīng)，去除鐵屑表面的氧化膜，防止其鈍化，使反應(yīng)更充分。

理論上，當(dāng)用堿調(diào)節(jié)溶液的pH 時(shí)，最后溶液應(yīng)呈現(xiàn)紅棕色，因?yàn)镕e(OH)3是紅棕色沉淀，但本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是溶液為灰綠色沉淀，原因是該灰綠色沉淀是Fe(OH)2和Fe(OH)3的混合物，是過度顏色，為反應(yīng)的中間產(chǎn)物，之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的過渡色，是因?yàn)闅溲趸�鈉過量。在實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)堿的pH值是通過添加氫氧化鈉來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槭怯胮H 試紙來調(diào)節(jié)堿的pH 值，所以人為誤差造成氫氧化鈉過量，故溶液中多為灰綠色的絮狀物。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

由上述正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析可得最佳組合條件為氯化鈉量為0．024 g(400 mg /L) ，鐵粉量為1．8 g(30 g /L) ，酸的pH 值為2，攪拌時(shí)間為75 min。得出最佳條件后，為了驗(yàn)證這是否為最佳條件，在該條件下的CODCr的去除率是否是最高，又做了三組平行的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，見表2。

由表2 可知，最佳組合條件下，CODCr去除率達(dá)到最大值，為48．1% (三個(gè)數(shù)據(jù)的平均值) 。所以，由最終結(jié)論可知，氯化鈉量為0．024 g(400 mg /L) ，鐵粉量為1．8 g(30 g /L) ，酸的pH 值為2，攪拌時(shí)間為75 min 為最佳組合呢條件。

4 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)，得到可以使CODCr去除率最高的最佳條件是: 氯化鈉量為0．024 g(400 mg /L) ，鐵粉量為1．8 g(30 g /L) ，酸的pH 值為2，攪拌時(shí)間為75 min。在該條件下，焦油廢水的CODCr去除率最高，達(dá)到48．1%。

用零價(jià)鐵還原處理水樣之后，水樣的色度大大降低，用肉眼觀察，與蒸餾水的顏色相當(dāng)接近，且沒有任何氣味、沉淀、雜質(zhì)等。從外觀上以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看，用零價(jià)鐵還原的方法對(duì)卷煙焦油廢進(jìn)行預(yù)處理是成功的。