以廢鐵和煤基活性焦為基質的微電解處理棉黑液研究

盧勝濤，王金增，謝 松

（河北大學 生 命科學院，河北 保 定071002）

1 引言

微電解又稱為內電解、零價鐵等，是近年來發展起來的廢水處理方法。鐵炭微電解是利用鐵、含碳物質組合的材料分別作陽極和陰極，廢水中的離子作電解質，形成微電池。微電解反應過程是集氧化還原、電富集、物理吸附、絮凝沉降等多種作用的結果[1]，具有使用范圍廣、壽命長及操作維護方便等優點。微電解已在多種難降解有機物和廢水的處理研究中得到運用[2～4]。微電解可以有效地提高有機廢水的可生化性，可作為生化法很好的預處理方法[5～7]。目前微電解中碳材料常常以活性炭為主，活性炭雖然是一種良好的碳材料，但是往往造價比較貴，本實驗中活性焦是一種以褐煤為原料高溫加工而成的材料。褐煤是煤化程度最低的礦產煤，褐煤在中國的儲量約為2 118億t，但是由于其熱值低，雜質多，所以價格低廉，因此用煤基活性焦作為微電解介質對棉黑液進行預處理，對擴展活性焦應用領域很有意義。

2 材料和方法

2.1 實驗材料

實驗用棉黑液是酸析處理的稀黑液，取自瀘州北方化學工業有限公司，經測定其化學需氧量（COD）為1 005mg/L，活性焦由北京大唐電力有限公司提供。用去離子水對活性焦進行清洗，去除活性焦表面一些附著的雜質；洗到清洗水變為透明為止，將洗好的活性焦放入105℃烘箱中烘干72h，然后將烘干后的活性焦放入具塞玻璃瓶中進行保存，以備后用。鐵炭微電解靜態實驗選用長300mm，內徑26mm柱狀玻璃反應器作為微電解反應器。采用活性焦為宏觀電極，預先經過24h吸附飽和，以防止吸附作用的影響，烘干備用。鐵屑采用北京科技大學金工實習機械廠的廢舊鐵刨花，將其剪切為長1cm左右的條狀，分別用NaOH和HCl進行清洗，并用去離子水沖洗干凈晾干，存放在密封瓶子中備用。采用普通的曝氣泵對反應體系進行曝氣混合，曝氣頭為普通的燒結砂芯。

2.2 實驗方法

鐵炭微電解靜態實驗中，取水樣50mL，pH值根據實際需要調節。將所需不同量的活性焦、鐵屑均勻投加到反應容器，反應過程進行曝氣，不同時間取樣，靜置1h后取上清液過濾測試水質。實驗在室溫下進行。研究反應時間、材料投加量、pH值等對微電解過程的影響，考慮到實際污水污染物較為復雜，因此整個過程以COD為指標進行表征，化學需氧量（COD）的測定參用HACH法[8]。為了更好地觀察微電解前后的形態差別，處理前后的介質用環境掃描電鏡進行了觀察。

3 實驗結果

3.1 反應時間對微電解處理效果的影響

微電解反應時間對處理過程有著重要的影響，在工業應用中確定最佳的反應時間對工藝的設置有著重要的作用，可以保證在最佳時間內達到最佳的效果，本實驗考察了反應時間對微電解處理效果的影響，其中鐵碳比為2∶1，棉黑液的pH值不調。

如圖1所示，隨著反應時間的增加，黑液COD呈逐漸下降的趨勢，尤其是在10～45min反應時間內，COD變化下降趨勢很明顯。60min后COD呈平穩的趨勢。因為過長的反應時間會使鐵的溶出量大量增加，這樣對鐵的消耗較大造成浪費。因此最佳的反應時間確定是：60min，此時可使溶液的COD從1 005降到705mg/L，COD的去除率達到29.8%。

圖1 不同時間對去除效果的影響

3.2 不同的pH值對微電解處理效果的影響

在實際應用過程中，實際廢水的pH值對整個處理微電解的處理效果有著重要的影響，這對整個工藝參數的設定至關重要。因此本實驗考察了不同pH值對微電解處理效果的影響，結果見圖2。

圖2 不同pH值對去除效果的影響

從圖2中可以看出：微電解對棉黑液COD的去除率隨著溶液pH值的降低而逐漸上升。從圖可以明顯看出：pH值＝1時，COD去除率達到最大，出水COD為660mg/L。考慮到實際應用性和經濟成本等因素，故選pH值＝2為最佳pH值。

3.3 不同的鐵炭比對棉黑液COD去除率的影響

不同的鐵炭比對微電解來說至關重要，不同的鐵炭比影響不同的陰陽極電極數量，對處理效果影響很大，因此確定不同的質量比對微電解工藝來說非常重要，研究結果見圖3。

圖3 不同的鐵炭比對棉黑液COD去除率的影響

鐵炭微電解反應原理可知，Fe的用量過高時，Fe2＋生產速率過快，使得溶液中瞬間積存大量的Fe2＋，這部分Fe2＋又可能和·OH發生反應：Fe2＋·OH→Fe3＋·OH－該反應會消耗·OH，降低·OH的濃度，從而使COD的去除效果下降。但炭屑過量時，尤其是超過鐵含量的比例時，單位體積內鐵粒的數目太少，沒有足夠的原電池的電極反應。因此合適的鐵炭比很關鍵。從圖中可以看出：在鐵炭比為：2∶1時候，微電解的效果最好。

3.4 處理前后介質的電鏡觀察

為了更好的觀察微電解前后的形態差別，處理前后的介質參用北京大學環境掃描電鏡進行了觀察，結果見圖4、圖5。

圖4 反應前鐵屑表面觀察

圖5 反應后的鐵屑表面觀察

從反應前后的鐵屑表面電鏡照片可以看出，反應前鐵表面為較為平整，而反應后由于微電解作用，表面腐蝕嚴重，表面平整結構消失，取而代之的是溝壑裝的結構，這也從另一個方面反應了微電解處理效果。

4 結語

本文以廢舊鐵刨花和煤基活性焦為基質，利用微電解法對棉漿黑液進行了預處理研究，對處理條件進行了優化研究，并對處理前后的介質進行了電鏡觀察。結果顯示：pH值為2是最佳pH值，在鐵炭比為2∶1時候，微電解的效果最好。鐵屑和活性焦為基質的微電解法對棉黑液有很好的處理效果；掃描電鏡觀察表明：處理前后廢舊鐵刨花表面形態發生了明顯變化。考慮到原材料的廉價性，因此以廢舊鐵刨花和煤基活性焦為基質的微電解法對棉漿黑液來說是一種有效的預處理方法。

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