鐵炭微電解處理染料廢水試驗

◎王曉晶 王志豪 王左棟

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鐵炭微電解處理染料廢水試驗

◎王曉晶 王志豪 王左棟

實驗自制了鐵炭微電解填料，并用于處理染料廢水。試驗結果表明，該填料對染料廢水脫色效果明顯，在填料投加量為40g/L、pH為4、反應時間為2.5小時的條件下，鐵炭微電解對染料去除率達到88.9％

我國是世界上染料的生產和出口大國，因此染料廢水成為重要的環境污染源之一，對染料廢水的處理研究具有很大的現實意義。染料廢水一般具有有機物濃度高、色度高、成分復雜、無機鹽含量大、脫色困難等特點，是一種典型的難降解有機廢水，如果未經處理直接排放，將對周圍水體造成嚴重污染，影響人們的正常工作生活。

鐵炭微電解技術是利用鐵和炭形成微電池，通過電化學腐蝕、氧化還原、物理吸附、絮凝沉淀等過程實現污染物去除。目前，鐵炭微電解技術已廣泛應用于染料脫色、印染、化工等難降解有機廢水中。

本實驗采用鐵炭微電解和Fenton試劑氧化技術對酸性嫩黃染料廢水進行處理，以考察二者對染料的脫色效果。

材料與方法

1.1鐵炭微電解填料的制備

將還原性鐵粉、粉末活性炭、粒徑小于100目的粘土作為原料，按照質量百分比鐵粉∶活性炭∶粘土=70％∶15％∶15％量取，加入適量的水充分攪拌混勻，制成3mm-10mm的顆粒狀填料。將填料放入烘箱，于30～500℃烘干，然后將干燥的填料移入管式爐，在隔絕氧并通入N2的情況下，于8000℃下焙燒2小時。待焙燒結束、冷卻后，制得定型的鐵炭微電解填料。制得的填料具有良好的比表面積，能夠有效防止填料表面鈍化及填料的板結。

模擬染料廢水的配制

準確稱取0.1g酸性嫩黃染料，用蒸餾水溶解后移入容量瓶，定容至1000mL，配制成濃度為300mg/L的模擬染料廢水。

實驗步驟

鐵炭微電解實驗步驟：取100mL酸性嫩黃模擬染料廢水放入250mL的錐形瓶中，調節一定的pH后，再分別加入一定的鐵炭填料，在室溫下于電熱恒溫振蕩水槽中反應一定的時間，測定上清液的染料濃度。

分析方法

①染料濃度的測定：分別配制濃度為20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、120mg/L的酸性嫩黃染料在420nm處分別測定其吸光度，繪制染料濃度與吸光度的標準曲線，水樣中染料濃度的測定通過測定吸光度后計算確定。

②pH：pH由pH計測定。

結果與討論

反應時間對鐵炭微電解處理效果的影響

在常溫、pH為7、填料投加量為1g的條件下，分別取100mL模擬染料廢水加入7個250mL錐形瓶中，放入電熱恒溫振蕩水槽中振蕩，每隔30min時測定處理后水樣中的染料，并計算去除率，結果如圖1所示。

圖1　反應時間對鐵炭微電解處理效果的影響

由圖1可見，反應開始階段隨著反應時間的推移，染料的去除率也在上升。在150分鐘時染料的去除率達到19.4％，但是此后再增加微電解處理時間，染料的去除率增加不大。脫色率升高有兩部分原因促成，主要是反應剛開始時活性炭對染料的吸附作用導致染料降低，脫色率增高；另外，隨著反應時間的延長，鐵的腐蝕速度也在減緩，易降解物質基本反應完全，難降解物質反應在此條件下很難被破壞。微電解作用破壞了一部分染料的偶氮發色基團，使得染料下降的同時破壞了染料較為穩定的共軛結構，染料的大分子結構被分解為小分子結構，本實驗中當處理2.5小時后，脫色率變緩，選擇反應時間為2.5小時。

填料投加量對鐵炭微電解處理效果的影響

在常溫、pH為7、反應時間為2.5小時的條件下，分別取100mL模擬染料廢水加入7個250mL的錐形瓶中，分別加入0.5g、1g、2g、3g、4g、5g、6g填料，測定反應結束時的吸光度，結果如圖2所示。

圖2　填料投加量對鐵炭微電解處理效果的影響

由圖2可知，隨著填料投加量的增加，染料的去除率也逐漸增大。當填料投加量達到4g時，染料去除率達到49.78％，但是此后再增加微電解填料投加量，染料的去除率增加便不明顯。理論上來說，隨著鐵炭微電解填料投加量的增大，形成的鐵炭微電極數量就會增加內電解作用加劇，溶液中的Fe3+所產生的混凝作用也隨之加劇，這兩者的聯合作用使得一開始脫色率逐漸增大，而后再加入的填料對整個微電解反應的促進作用就不會太明顯。綜合考慮，選擇最佳填料投加量為4g。

pH值對鐵炭微電解處理效果的影響

在常溫、反應時間為2.5小時、填料投加量為4g的條件下，分別取100mL模擬染料廢水加入7個250mL的錐形瓶中，改變原液的pH值，使之分別為1、2、3、4、5、6、7，時間結束時測定處理后水樣中的染料濃度并計算去除率，結果如圖3所示。

圖3　pH值對鐵炭微電解處理效果的影響

由圖3可知，廢水pH值對鐵炭微電解的處理效果影響較大，反應在酸性條件下效果較好，在接近中性條件下對染料的去除率降低。在pH為4時處理效果最為理想，脫色率達到88.9％。pH值太低，耗酸量增加，同時對鐵炭微電解填料的耗用和腐蝕也增加。pH值低于4或高于4處理效果會變差。從理論上分析可以發現在酸性條件下，填料中鐵粉的腐蝕加快，由電極反應生成具有很強活性的新生態[H]，可以破壞一些發色基團或者是助色基團的結構，使廢水的色度降低；與此同時反應生成的Fe2+在出水時pH呈中性或是堿性且有氧存在的條件下，可以形成Fe(OH)2直至Fe(OH)3 ，這樣生成的絮狀沉淀，通過吸附和絮凝作用，將廢水中的污染物去除。但酸性過強，會使處理后的水中含有大量的Fe2+和Fe3+，使得出水水樣的色度加深，對脫色效果造成了一定的影響。同時溶液中多余的H+還會破壞已經形成的絮凝體，使得處理效果變差，綜合考慮，鐵炭微電解最佳的反應pH為4。

填料各功能單元對染料去除比例分析

為考察填料中活性炭、粘土、鐵粉等各成分對染料去除率的影響所占的比重，我們在pH為4、反應時間為2.5小時的最佳反應條件下，加入同樣比例的活性炭和粘土來驗證其對染料的脫色效果。分別取0.6g活性炭和粘土加入100mL的原液中，調節pH至4，然后將錐形瓶放入電熱恒溫振蕩水槽中反應2.5小時，測定其染料濃度，其染料去除率為18.1％。填料各功能對染料的去除效率分布如圖4所示。

圖4　填料各功能單元對染料去除比例分布

由圖4可見，在總的88.9％的染料去除率中，粘土和活性炭的去除效果僅占到20％，而剩下80％比例的染料是通過微電解去除，說明制備的填料充分發揮了微電解的作用。

結論

自制鐵炭微電解填料處理酸性嫩黃模擬染料廢水，最優工藝參數為填料投加量40g/L、pH值為4、反應時間為2.5小時。經過處理，染料去除率達到88.9％。

在染料的去除中，鐵炭微電解各功能單元對染料的去除分布為：炭與粘土占20％，而微電解作用，去除的燃料占80％。

（作者單位：煙臺市環境監測中心站）