微電解技術(shù)又稱內(nèi)電解､鐵還原法､零價鐵法等, 是基于金屬腐蝕溶解的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)原理,將具有不同電極電位的金屬與金屬(或非金屬)直接接觸,在傳導(dǎo)性較好的廢水中形成微電池的電極反應(yīng)而使廢水凈化的｡由于其主要以機械加工過程中產(chǎn)生的價格低廉的廢屑為原料,可實現(xiàn)廢棄物的資源化利用,且工藝流程簡單､投資少､能耗少､運轉(zhuǎn)費用低和普適性強,近十多年來在國內(nèi)外均受到重視并有較大的發(fā)展,廣泛地應(yīng)用于印染､電鍍､化工等領(lǐng)域的廢水處理,并取得了較好的效果〔1-6〕｡
有關(guān)微電解法去除污染物的機理主要包括:氧化還原作用､絮凝沉淀作用､微電場作用､物理吸附作用､氣浮作用等〔7-11〕｡雖然對于不同成分和類型的廢水,微電解的電極反應(yīng)會有很大的差別,然而,各種凈化作用都離不開微電池的陽極反應(yīng)(金屬溶解)和陰極反應(yīng)(氫､氧､有機物或金屬的還原),因此,接觸材料和反應(yīng)材料的正確選擇及其在廢水中溶解的加速,是提高微電解處理效果的關(guān)鍵｡在國內(nèi)外有關(guān)微電解的文獻(xiàn)中, 所采用的反應(yīng)材料和接觸材料基本上是Fe-C 或Al-C,均取得一定的效果,但是有關(guān)多元反應(yīng)體系對微電解反應(yīng)速率和效果的研究報道尚且不多｡
筆者一方面探討了新的反應(yīng)材料和接觸材料在微電解處理廢水過程中的效果, 另一方面繼續(xù)向二元微電解反應(yīng)體系Fe-C 中投加Al 和Cu,構(gòu)成三元反應(yīng)體系, 研究了該三元微電解反應(yīng)體系處理污水的反應(yīng)速度和處理效率, 以期為提高微電解技術(shù)處理廢水的效率和反應(yīng)材料選擇提供參考｡
1 實驗材料和方法
1.1 實驗水樣及材料實驗水樣: 山東齊魯石化供排水廠廢水,COD為100~250 mg/L,SS 為50~60 mg/L,pH 為7.5~7.9,現(xiàn)場采樣實驗｡
反應(yīng)材料:鑄鐵屑,粒徑主要集中在1~3 mm;鋁屑,粒徑主要集中在1~5 mm｡
接觸材料:顆粒活性炭,粒徑主要集中在3~5 mm;銅粉,粒徑主要集中在1~2 mm｡
1.2 分析方法及實驗儀器
COD 采用密閉消解法測定,使用蘭州連華環(huán)�？萍加邢薰旧a(chǎn)的5B-1(B)型COD 快速測定儀｡pH 采用上海雷磁儀器廠生產(chǎn)的pHS-3C 精密pH計測定｡
1.3 實驗方法
預(yù)處理: 將鐵屑和鋁屑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的稀鹽酸中浸泡20 min 去除表面氧化層, 然后用NaOH溶液堿洗10 min,用蒸餾水沖洗干凈;將顆�；钚蕴吭谠薪�30 min,使其對污染物達(dá)到吸附飽和｡
微電解:取500 mL 水樣于1 000 mL 燒杯中,加入適量經(jīng)過預(yù)處理的反應(yīng)材料Fe 或Al 和接觸材料Cu 或C,用pHS-3C 精密pH 計控制其pH 的變化,稀鹽酸調(diào)節(jié)pH=4,反應(yīng)一段時間后取適量水樣,加入NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 至堿性, 使微電解過程中產(chǎn)生的亞鐵､鐵及鋁離子生成Fe(OH)3､Al(OH)3沉淀,取上清液測定COD｡
2 結(jié)果與討論
2.1 增投接觸材料Cu 實驗
2.1.1 Fe-Cu､Fe-C 二元反應(yīng)體系實驗
在進(jìn)水pH=4,鐵屑和顆粒活性炭(或銅粉)投加質(zhì)量濃度分別為40､10 g/L,反應(yīng)時間分別為30､45､60､90､120 min 條件下反應(yīng),考察COD 去除率的變化,結(jié)果見圖1｡
由圖1 可以看出,Fe-Cu､Fe-C 微電解反應(yīng)前60 min,COD 去除率增加速率較快;當(dāng)反應(yīng)時間≥60 min 以后, 去除率增加趨勢減緩, 分別穩(wěn)定在34%和36%左右｡COD 去除率隨著反應(yīng)時間的增加而增加,這是因為反應(yīng)時間的增加使得氧化還原等反應(yīng)進(jìn)行得更徹底,且廢水中部分分散的膠體顆粒､細(xì)小污染物等受微電場的作用形成電泳后,有足夠的時間向相反電荷的電極方向移動,并聚集在電極上,形成大顆粒,得到沉淀去除｡
2.1.2 Fe-Cu-C 三元反應(yīng)體系實驗
在進(jìn)水pH=4,鐵屑和活性炭投加質(zhì)量濃度分別為40､5 g/L,增投銅粉,投加質(zhì)量濃度為5 g/L,在反應(yīng)時間分別為30､45､60､90､120 min 條件下反應(yīng),考察COD 去除率的變化,結(jié)果見圖1｡
由圖1 可以看出,Fe-Cu-C 反應(yīng)體系不但提高了反應(yīng)速率,而且增強了COD 的去除效果,并在反應(yīng)45 min 時達(dá)到COD 去除率最大值, 穩(wěn)定在41%左右｡Cu 的引入,可以明顯地提高原有Fe､C 固定床的反應(yīng)效率:一方面,作為接觸材料,Fe､Cu 形成雙金屬還原體系,不但加強了氧化還原反應(yīng),而且使電子受體成倍增加, 污染物向電極表面的電泳速率明顯加快,在電極處產(chǎn)生沉淀的速率加快,電場作用增強,增強了處理效果;另外,Cu 是一種良好的導(dǎo)體,可以促進(jìn)Fe､C 微電極產(chǎn)生的電子的快速分離,加快了Fe 的溶解速度,鐵離子數(shù)量增加,絮凝作用和氧化還原作用增強,從而提高反應(yīng)效率｡
2.2 投加反應(yīng)材料Al 實驗
2.2.1 Al-C 二元反應(yīng)體系實驗
在進(jìn)水pH=4,鋁屑和顆�；钚蕴客都淤|(zhì)量濃度分別為40､10 g/L, 反應(yīng)時間分別為30､45､60､90､120 min 條件下反應(yīng),考察COD 去除率的變化,結(jié)果見圖1｡
由圖1 可以看出,Fe-Cu､Fe-C 微電解反應(yīng)前60 min,COD 去除率增加速率較快;當(dāng)反應(yīng)時間≥60 min 以后, 去除率增加趨勢減緩, 分別穩(wěn)定在34%和36%左右｡COD 去除率隨著反應(yīng)時間的增加而增加,這是因為反應(yīng)時間的增加使得氧化還原等反應(yīng)進(jìn)行得更徹底,且廢水中部分分散的膠體顆粒､細(xì)小污染物等受微電場的作用形成電泳后,有足夠的時間向相反電荷的電極方向移動,并聚集在電極上,形成大顆粒,得到沉淀去除｡
2.2.2 Al-Fe-C 三元反應(yīng)體系實驗
在進(jìn)水pH=4,鐵屑和顆�；钚蕴客都淤|(zhì)量濃度分別為20､10 g/L,增投鋁屑,投加質(zhì)量濃度為20g/L, 反應(yīng)時間分別為30､45､60､90､120 min 條件下反應(yīng),考察COD 去除率的變化,結(jié)果見圖1｡
由圖1 可知,Al-Fe-C 三元微電解體系COD 去除率在反應(yīng)45~60 min 達(dá)到最大,達(dá)到46%,較Al-C與Fe-C 在反應(yīng)速率和處理效果上均有明顯提高｡主要有二方面原因: 一方面Al 的金屬活性比Fe 的強,在與C 構(gòu)成還原體系時,金屬的溶解加速,更容易發(fā)生氧化還原反應(yīng), 加快了Fe-C 反應(yīng)體系的反應(yīng)速率;另一方面,陽極發(fā)生Al→Al3++3e 反應(yīng),Al3+的水解產(chǎn)物是良好的絮凝劑, 無機鹽類混凝劑鋁鹽或鐵鹽對水的pH 都有一定的要求, 即鋁鹽要求水的pH 在5.5~8.5 之間,高了或低了都影響鋁鹽的混凝效果;使用鐵鹽作混凝劑時,常要求水的pH 大于8.5,而且要有足夠的溶解O2存在才會有利于Fe2+迅速氧化成Fe3+起混凝作用｡實驗用水的pH 在反應(yīng)開始為4,隨著反應(yīng)的進(jìn)行pH 會緩慢升高,達(dá)到鋁鹽最佳混凝效果的pH 要求, 增強了混凝沉淀作用的效果｡具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)向Fe-C 固定床增投反應(yīng)材料Al 和接觸材料Cu 都可以增加反應(yīng)速率和增強反應(yīng)效果, 使得COD 去除率由原來的35%分別提高到46%和41%,且投加金屬Al 構(gòu)成Al-Fe-C 反應(yīng)體系比Fe-Cu-C反應(yīng)體系的處理效果好｡
(2)關(guān)于三元微電解的研究,本實驗只是從宏觀角度進(jìn)行探討,但在微觀方面,如電極上實際發(fā)生的氧化還原過程､反應(yīng)機理和反應(yīng)動力學(xué)等有待深入研究,可作為微電解工藝優(yōu)化的研究方向之一｡(3)雖然三元微電解比二元微電解體系反應(yīng)速率和處理效果好, 但是還不能達(dá)到理想的處理效果,因“水”制宜,開發(fā)高效､易操控､適應(yīng)性強且與三元微電解技術(shù)優(yōu)勢互補的復(fù)合水處理技術(shù), 以進(jìn)一步改善處理效果是以后研究的重點｡
