微電解陶瓷材料處理印染廢水的研究

王躍超 劉成寶 陳豐

摘 要 本研究以蘇州土、鐵粉與活性炭粉末等為主要原料制成新型微電解陶瓷產品，探討了產品鐵碳比、孔隙率、曝氣池曝氣工藝等因素對處理印染廢水效果的具體影響。

關鍵詞 微電解；三元體系；印染廢水；鐵碳；孔隙率

0 前 言 微電解法是利用金屬腐蝕原理，形成原電池對廢水進行處理的良好工藝，又稱為內電解法、零價鐵法、鐵屑過濾法、鐵碳法。是一項被廣泛研究與應用的廢水處理技術。因其工藝簡單、操作方便且可達到“以廢治廢”的目的，近年來受到廣泛重視。 鐵碳微電解是當將鐵屑和碳顆粒浸沒在廢水中時，由于鐵和碳之間的電極電位差，廢水中會形成無數個微原電池。這些細微電池是以電位低的鐵成為陽極，電位高的碳做陰極，在含有電解質的水溶液中發生電化學反應的。反應的結果是鐵受到腐蝕變成二價的鐵離子進入溶液。由于鐵離子有混凝作用，它與污染物中帶微弱負電荷的微粒異性相吸，形成比較穩定的絮凝物（也叫鐵泥）而去除。其中電位低的鐵成為陽極，電位高的碳成為陰極，在酸性充氧條件下發生電化學反應，其反應過程如下： 陽極（Fe）： Fe→ Fe2++2e 陰極（C）：2H++2e→2[H]→H2 反應中，產生的了初生態的Fe2+和原子H，它們具有高化學活性，能改變廢水中許多有機物的結構和特性，使有機物發生斷鏈、開環等作用。 若有曝氣，即充氧，還會發生下面的反應： O2+2H2O+4e→4OH-； O2+4H++4e→2H2O； 2Fe2++O2+4H+→2H2O+2Fe3+ 反應中生成的OH-是出水pH值升高的原因，而由Fe2+氧化生成的Fe3+逐漸水解生成聚合度大的Fe（OH）3膠體絮凝劑，可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，從而增強對廢水的凈化效果。 本文以蘇州土、鐵粉與活性炭粉末等為主要原料燒制成新型微電解陶瓷產品，研究鐵碳比對處理印染廢水的影響；并制備出不同孔隙率的產品，研究孔隙率對處理印染廢水的影響；在曝氣池中研究曝氣工藝對用鐵碳材料處理印染廢水的影響。1 試 驗1.1試驗原料 鐵粉（純度95%，D50=200μm）、碳粉（純度99%，D50=100μm）、銅粉（純度98%，D50=100μm）、蘇州土（機選1號）、長石、碳酸鈣，酸性大紅GR（純度99%，南京染料廠）。1.2樣品制作 根據實驗需要按不同配方稱取原料，加入0.4%羥甲基纖維素鈉和適量的水，球磨5h后，采用注漿成型制作出尺寸為Φ10mm×10mm尺寸的圓柱型坯體，坯體在80℃下干燥2h，然后在1 200℃還原氣氛下燒成。 用1%濃度酸性大紅溶液模擬印染廢水，投入鐵碳電解材料樣品，測試投入前后廢水溶液COD，研究不同樣品的COD去除率。將模擬廢水放入曝氣反應器中，投入鐵碳材料樣品，研究曝氣對處理印染廢水的影響。1.3測試 排水法測試樣品的氣孔率；用COD測試儀（連華科技5B-6C）檢測廢水處理前后的COD，計算出COD去除率；用色度儀測廢水色度，計算出色度去除率。2 分析與討論2.1材料中碳鐵比對廢水處理的影響 研究鐵碳比對處理效果的影響時，采用固定的因素條件為：①材料配方中除鐵碳外其他均相同，制備工藝也相同，制成樣品尺寸也相同。②相同質量的廢水中投入相同質量的樣品③相同的反應時間，相同的處理工藝。 樣品中鐵碳質量比采用7個梯度，分別為：7：1、6：1、5：1、4：1、3：1、2：1、1：1，在不曝氣的條件下，在7組500ml的廢水（濃度為1%的酸性大紅溶液）中投入各100g的樣品，在曝氣的情況下停留3h后，分別測試其COD去除率，得到表1。 從表中可以看出，從Ⅰ→VII，隨著樣品中鐵碳比例的降低，COD去除率先提高后降低。分析其原因為：在鐵碳材料中，碳的目的就是與鐵形成原電池效應來促進廢水中污染物的降解。當樣品中碳量低時，增加碳含量，可使體系中的原電池數量增多，提高對有機物等的去除效果；但當碳含量過量時，鐵含量不足，使得體系中原電池數量減少，反而抑制了原電池的數量，更多表現為碳粉的吸附作用。 通過實驗我們得出：在處理印染廢水時，鐵碳微電解陶瓷材料中鐵碳的質量比在5∕1時，COD去除率最高。 2.2摻雜元素Cu對產品性能的影響 我們選用Cu作為摻雜元素，分別在微電解材料中添加占鐵碳總質量0%、2%、4%、6%、8%的Cu，制成Fe-Cu-C三元微電解體系。 將200g相同形狀不同Cu加入量的樣品分別投入到1 000ml的GR廢水中，分別測試30min、60min、90min、120min、150min、180min后的COD去除率見圖1。 由圖1中可以看出Cu的加入提高了反應速率，而且增強了去除效果。分析原因為，一方面Cu加入后和Fe形成雙金屬還原體系加強了還原反應，增強了處理效果；另一方面，Cu是一種良好的導體， Cu的引入可以促進微電極反應產生電子的快速分離，加快了Fe的溶解速度，使鐵離子數量增加，絮凝作用和氧化還原作用增強，從而提高反應效率。 但是當Cu含量增加到Fe-C總量的6%時，Cu的增強效果明顯減弱，而且在反應后期，COD的處理效果明顯不如Cu含量低的樣品，分析原因是隨著Cu含量的增加，使微電解材料中Fe和C的比例降低，使得材料中Fe-C原電池的數量減少，取而代之的是Fe-Cu原電池，由于Fe-Cu電勢差較Fe-C低，因此產生的電場弱，電化學附集能力低，因此，反應后期處理效果降低。2.3材料氣孔率對廢水處理的影響 研究材料氣孔率對處理效果的影響時：保證相同鐵碳含量及鐵碳比，通過調節蘇州土、長石和碳酸鈣的比例制備出不同氣孔率的樣品，表2為不同配方樣品的氣孔率。 將200g相同形狀不同氣孔率的樣品分別投入到1 000ml的GR廢水中，分別測試3h、6h、12h、24h、48h、72h后的COD去除率見圖2。 從圖2中可以看出，在反應初期，材料氣孔率越高，COD去除率越高，分析原因是由于氣孔率高，材料比表面積大，反應活性更高，反應速度快，此時的COD去除率高；但隨著反應時間的增加，COD去除率趨于平穩，說明反應后期COD去除率受氣孔率影響明顯減小，分析原因，反應初期氣孔率高的樣品釋放出了更多的Fe，但隨著時間的推移，由于材料中所含鐵碳比，鐵碳含量相等，材料中所釋放出的鐵碳總量一定，因此對廢水中的COD去除率趨于相同。 因此，采用鐵碳微電解材料處理廢水時，材料的氣孔率能增加材料的活性，提高反應效率，能夠有效縮短廢水處理的時間。2.4曝氣的影響 在曝氣池進行廢水處理試驗，選取不曝氣和曝氣兩種試驗方式進行試驗，其他參數設定如下：進水酸性大紅GR濃度為1%，溶液pH=5，反應時間為3h，得出結果見表 3所示。 由表3可知，在曝氣條件下的COD去除率比不爆氣條件高10%以上，分析其原因：曝氣使水中的O2含量增加，易和水反應生成H2O2，而H2O2與反應產生的Fe2+組成芬頓試劑，生成具有強氧化性的自由基，能將有機物迅速氧化成小分子；另外，氧氣的存在和酸性條件的共同作用，促使2Fe2++O2+4H+→2H2O+ 2Fe3+，反應產生大量的Fe3+，而Fe3+水解產物的絡合絮凝作用比Fe2+水解產物更強，可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，從而增強對廢水的凈化效果。 不曝氣條件下的色度去除率高于曝氣條件下，分析其原因是由于曝氣條件下，O2與染料分子爭奪陽極電子導致染料的不完全還原造成的，但兩者僅相差1%左右，這表明曝氣對脫色效果的影響并不是太明顯。 試驗結果表明曝氣對微電解降解酸性大紅GR過程是有利的。3 總 結 （1）微電解陶瓷材料中，鐵碳質量比在5/1時，對印染廢水處理的效果最明顯。 （2）在處理印染廢水時，Cu的加入可以提高反應速率，增強去除效果；但是銅含量應控制在Fe-C總質量的6%以內，過多的銅加入反而會降低去除效果。 （3）提高微電解陶瓷材料的氣孔率，能夠有效提高微電解材料的活性，提高反應效率，縮短廢水處理的時間。 （4）曝氣能夠有效提高微電解材料處理廢水效率，提高COD去除率。參 考 文 獻[1]李天鵬，荊國華，周作明.微電解技術處理工業廢水的研究進展及應用[J].工業水處理.2009（29）：10-13[2]舒文勃，楊娜娜，杜敏娟，李琛.鐵炭微電解技術在制藥廢水預處理中的研究與應用[J].杭州化工.2010（3）：4-8[3]曹雨平，劉亞凱，鄧陽清.三元微電解體系在廢水處理中的實驗研究[J].工業水處理.2011（12）：66-68[4]秦樹林.多元微電解技術對高濃度化學清洗廢水預處理的影響[J].環境工程學報.2012（10）：3563-3567[5]田京雷，馬娥.新型鐵碳活性焦處理工業廢水的應用分析[J].寬厚板.2013（5）：29-31[6]姜興華.強化鐵碳微電解技術在印染廢水處理中的應用研究[D].蘇州科技學院碩士論文.2009