鐵碳微電解技術處理MB染料廢水的實驗研究

李天鵬，高超,劉永霞

(棗莊學院 城市與建筑工程學院，山東 棗莊 277160)

0 引言

鐵碳微電解技術(Iron Carbon Microelectrolysis Technology, ICMT)是將兩種具有不同電極電位的金屬或金屬與非金屬直接接觸在一起，浸泡在傳導性的電解質溶液中，利用填充在廢水中的微電解材料自身產生電位差對廢水進行氧化處理，發生電池效應而形成無數微小的腐燭原電池，以達到降解并去除污染物的目的[1-3].ICMT的基本原理是鐵屑受到電化學腐蝕作用變成Fe2+進入溶液.由于Fe2+具有混凝作用，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[4,5].總之，ICMT是絮凝、吸附等多種作用綜合效應的結果，使常態下難以進行的反應得以實現，從而可以起到處理廢水的作用[6].

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

UV 5500型紫外可見光光度計(上海元析儀器有限公司)、DHG-9140A型電熱鼓風干燥箱(常州普天儀器制造有限公司)、90-2型恒溫磁力攪拌器(常州兆圣實驗設備制造有限公司)、15T/H實驗室超純水系統(蘇州市嘉州精華設別有限公司).

亞甲基藍染料(Methylene Blue，MB)購自國藥集團化學試劑有限公司；NaOH和HCl分別購買于天津市風船化學試劑科技有限公司和萊陽經濟技術開發區精細化工廠；鐵屑取自山東省棗莊市市中區盛北金屬收購廠；柱狀活性炭購自河南省鞏義市露豐處理填料有限公司.

1.2 實驗步驟

準確稱取0.50 g MB染料，于1000ml容量瓶中，先加少量蒸餾水充分溶解后，在用蒸餾水定容至刻度，搖勻后即為500 ml/L的MB標準儲備液.采用稀釋倍數法，配制不同濃度的MB標準使用液.

移取已配制的MB廢水于燒杯中，調節初始pH值、添加鐵屑和活性炭，然后于恒溫磁力攪拌器上，攪拌一定的時間后，測量處理出水中MB的含量.

1.3 計算方法

(1)繪制MB標準曲線

分別移取0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、10.0、16.0和20.0 mL的50 mg/L MB標準使用液置于編號為1、2、3、4、5、6、7、8號100 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，充分搖勻，這時MB的濃度分別為0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、8.0和10 mg/L.

在λ=665nm條件下，測定MB的吸光度.以MB濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，采用Excel軟件進行線性擬合，結果如圖1所示，擬合的線性方程如式(1)所示.

圖1 MB標準曲線

y=0.1858x+0.0458，R2=0.9970

(1)

由圖1和式(1)可得，本實驗所得到的MB標準曲線呈良好線性關系(R2= 0.9970)，符合本試驗的使用標準，可用于相關數據的處理.

(2)去除率的計算

MB的去除率由公式(2)計算得到.

(2)

其中：C0—MB初始濃度；

Ct一反應t時刻時的MB濃度.

2 結果與討論

本試驗以MB的去除率為主要衡量指標，通過考察初始pH值、初始濃度、鐵碳比、反應時間及反應溫度等因素對水體中MB的去除效果，評價ICMT對MB染料廢水的處理效果.

2.1 初始pH對去除率的影響

圖2 初始pH值對MB去除率的影響

由圖2可知，當pH<4時，MB的去除率隨pH升高而升高,這是由于在酸性條件下，鐵碳原電池電位差大，容易發生氧化還原反應，在電極上發生的氧化還原、電沉積、吸附作用能充分進行，而酸性過強，破壞了以Fe2+為膠凝中心的絮凝體的形成，且耗電量大，影響處理效果[7].

當pH>4時，MB的去除率隨pH降低而降低，原因是酸性過弱，參加原電池反應的氫離子數目不足，Fe被氧化為Fe2+的效果不好，影響微電解反應進行.

當pH=4時，MB的去除率最高，為96.70%，表明該條件下ICMT對MB有較理想的處理效果.因此，本實驗初始pH值為4.0.

2.2 初始濃度對去除率的影響

圖3 初始濃度對水體中MB去除率的影響

由圖3可得，隨著MB初始濃度的增加，其去除率呈現逐漸降低的趨勢，原因就在于濃度的增加給物質的傳輸提供了動力，使得深入填料內部的微電解反應增多.但隨著濃度的進一步增加，MB的污染負荷超過了微電解填料的處理能力，去除率的提升逐漸減緩甚至出現下降的趨勢[8].

故在MB降解過程中，需要同時考慮去除率與反應效率，根據MB的濃度選擇合適的鐵碳投加量，保證有效的去除效果與材料利用率.因此，在有較好的處理效果及能充分的利用鐵碳的前提下，選擇MB廢水的初始濃度為100 mg/L.

2.3 鐵碳比值對去除率的影響

圖4 鐵碳質量比MB去除率的影響

根據圖4可知，在鐵碳比為1.5:1時MB的去除率為88%，0.5:1時為75%，大于1.5:1時反而下降.這是因為鐵屑和活性碳與MB溶液在經過充分攪拌進行反應時，鐵粉和活性炭在電解質溶液中形成大量的微型原電池，這些原電池的數量會影響鐵碳微電解反應的處理效果.

在鐵碳比為1.5:1之前時，隨著鐵屑投加量的增加而增加，主要原因是鑄鐵屑中含有大量的炭元素，當浸于傳導性較好的水體中時，由于鐵元素與炭元素間存在明顯的氧化還原電勢差，從而形成了許多微觀原電池，且微觀原電池的數量隨鐵屑投加量的增加而增大，因而去除率隨鐵屑投加量的增加而增大.

當鐵碳比過大時，一方面使液體粘度增大，不利于質量傳遞；另一方面溶液中 Fe2+的含量不斷增多，其水解產物 Fe(OH)2持續產生并覆蓋于鐵屑表面, 使原電池化學作用減弱，從而導致去除率也下降[9].綜合考慮，最后確定ICMT降解水體中MB染料的最佳鐵碳質量比為1.5：1.

2.4 反應時間對去除率的影響

圖5 反應時間對MB去除率的影響

由圖5可知，去除率隨著反應時間的增加先增加較快，反應時間到60min后增長較小，基本趨于穩定.因為60min前活性炭對染料的吸附作用導致去除率增高.

出現這種變化趨勢的可能原因是微電解反應產物Fe2+、[H]等較多且具有較高的反應活性，可與MB分子發生充分的還原反應，將MB的大分子基團降解為小分子物質，進而去除率降低；60min后染料的的去除率變化很小，趨于穩定，表明反應已基本處于平衡狀態，從能耗上考慮，最佳反應時間60min[10].

2.5反應溫度對去除率的影響

圖6 反應溫度對MB去除率的影響

從圖6中可以看出，反應溫度對微電解過程具有一定的影響.MB的去除率隨反應溫度的升高略有升高，這是因為反應溫度使水體中的MB分子運動速度加快，從而加快微電解進行的速度，提高了微電解的反應速率.

從圖6還可以看出，MB去除率隨反應溫度的變化幅度相對較小，活性碳的吸附與脫附的平衡變化不太大，所以在一定范圍內，反應溫度對ICMT處理MB染料廢水的效果影響不是很大，一般在室溫(30oC)下即可進行[11].

2.6 機理分析

ICMT，即利用鐵和碳之間的電極電位差在電解質溶液中形成微原電池，基于原電池的氧化還原原理對水中污染物進行降解[12].

原電池反應式如下：

陽極( Fe) : Fe-2e-→Fe2 +(3)

陰極( C) : 2H++ 2e-→2H+→H2(4)

生成的Fe2+和[H]具有較強的活性，能與MB原液中難降解的有機物發生反應，通過各種作用破壞了MB的共輾基團結構而使其脫色，使染料結構式中的有色基團發生開環降解，使染料發生徹底降解.

3 小結

(1) ICMT對水體中的MB有較好的處理效果，在初始pH為4、鐵碳比為1.5:1 (鐵屑最佳投加量為3 g)、作用時間為60 min、30oC (室溫)時，MB的去除率高達89%.

(2) ICMT作為一種高效、環保的廢水處理方法，具有無需添加劑，設備體積小，占地面積小，操作靈活，適用范圍廣、處理效果好、運行成本低等優點，能有效地處理色度大、有機物難降解的染料廢水，獲得良好的經濟效益和環境效益.