造孔劑改性微電解材料及性能表征

何威

（齊齊哈爾大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

鐵碳微電解，又稱(chēng)內(nèi)電解、零價(jià)鐵法[1]，是一種有效的難降解有機(jī)污染物預(yù)處理技術(shù)。基本原理是利用鐵屑內(nèi)含有的鐵和炭形成微原電池，從而將難降解有機(jī)物還原成易降解有機(jī)物[2]。本實(shí)驗(yàn)在原有新型微電解材料基礎(chǔ)上，探究添加造孔劑對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變情況，提高材料對(duì)廢水的降解效果。加入造孔劑使得填料的表面非常粗糙，內(nèi)部孔道數(shù)量增多，極大增加了填料的比表面積，提高了反應(yīng)效率[3]。多數(shù)情況下，可通過(guò)調(diào)整造孔劑的參數(shù)來(lái)控制材料的最終結(jié)構(gòu)和性能[4]。

1 原始新型微電解材料的改性

將鐵粉、鋁粉、活性炭、膨潤(rùn)土按質(zhì)量比6∶6∶3∶5 混合，加適量水使其成粘稠狀，用造粒機(jī)造粒成直徑10 mm 的球體，將材料置于高溫管式爐內(nèi)，在流動(dòng)的氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下，2 h 升溫至800 ℃，再以800℃焙燒2 h，降至室溫制得微電解材料[5]。

1.1 NaHCO3 作造孔劑成分配比篩選

NaHCO3受熱易分解，可在原始材料基礎(chǔ)上添加作為造孔劑。制備N(xiāo)aHCO3占材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1 %，2 %，4 %，6 %，8 %（w/w）的五種微電解材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，處理PVA 模擬廢水，測(cè)定出水CODCr去除率。

PVA 模擬廢水進(jìn)水pH=5，材料投加量為67 g/L，微電解曝氣1 h，飽和曝氣，出水靜止一段時(shí)間后取上層液測(cè)出水CODCr，比較出水CODCr去除率。結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同NaHCO3 占比（w/w）微電解材料出水CODCr 去除率對(duì)比

如圖1 所示，隨著NaHCO3造孔劑比例（w/w）從1 %增大至8 %，微電解與吸附協(xié)同作用的CODCr去除率先升高后降低，NaHCO3造孔劑占比2 %時(shí)CODCr去除率達(dá)到最高的35.4 %。在扣除吸附作用后單獨(dú)微電解作用對(duì)于CODCr的去除率變化趨勢(shì)與兩者協(xié)同作用相近，明顯高于單獨(dú)吸附的去除率。考慮用量因素，選取NaHCO3造孔劑比例選為2 %（w/w）。

1.2 NaHCO3 作造孔劑的改性材料與原始材料的對(duì)比

以PVA 模擬廢水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比原始微電解材料改性前后降解PVA 模擬廢水CODCr去除率的改善情況，具體出水水質(zhì)如表1 所示。

表1 微電解材料改性前后降解PVA 模擬廢水出水CODCr 去除率

由表1 可知，NaHCO3占比為2 %（w/w）的改進(jìn)后的微電解材料微電解出水B/C 達(dá)到0.35，CODCr去除率達(dá)到35.4 %，高于改性前的0.26 和11.04 %，出水具備了一定的可生化性，由此可見(jiàn)改性材料可用于PVA 廢水的降解，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 改性微電解材料的表征

2.1 改性微電解材料掃描電鏡（SEM）分析

微電解材料改性前后的掃描電鏡分析如圖2 所示，SEM 圖樣放大倍數(shù)1000 倍。

圖2 微電解材料改性前后掃描電鏡對(duì)比圖

由（a）圖可見(jiàn)，原始材料保留了活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，因而比表面積較高，活性位點(diǎn)數(shù)量眾多。（b）圖可見(jiàn)改性材料相對(duì)于前者表現(xiàn)出顆粒更加細(xì)碎化、分離化，彼此團(tuán)聚較改性前不明顯，顆粒外形比較統(tǒng)一，材料呈現(xiàn)出疏松的溝型縫道結(jié)構(gòu)，得益于造孔劑的加入，既保留了原始材料較高比表面積特點(diǎn)，又改善了物料之間的聚集狀態(tài)。

2.2 改性微電解材料X 射線衍射（XRD）分析

改性微電解材料的X 射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 改性與原始微電解材料XRD 對(duì)照?qǐng)D

由圖3 可知，材料加入NaHCO3作為造孔劑改性后，主要成分Fe、Al 均保留，其中Al 的特征衍射峰出現(xiàn)在2θ 角度為38.24°，64.88°，而鐵的特征衍射峰出現(xiàn)在2θ 角度為44.5°。改性前后鐵、鋁的特征衍射峰都比較明顯并且峰形尖銳，說(shuō)明雜峰較少。改性后的鐵、鋁特征衍射峰強(qiáng)度均較原始材料更強(qiáng)。改性后在2θ 角度為26.42°處出現(xiàn)碳的特征衍射峰，說(shuō)明改性材料鐵鋁碳三元微電解體系保存完整。

3 改性微電解材料與商用微電解材料的處理效果對(duì)比

采用購(gòu)置的廣州某企業(yè)微電解材料與改性微電解材料做對(duì)照試驗(yàn)，以退漿廢水的混凝出水（表2）進(jìn)行微電解預(yù)處理，反應(yīng)完畢各水樣接種來(lái)自實(shí)驗(yàn)室SBR 裝置的污泥，經(jīng)過(guò)2 日好氧曝氣試驗(yàn)。微電解條件：曝氣條件下，進(jìn)水pH=5、材料投加量為465 g/L、反應(yīng)60 min。微電解對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

表2 退漿廢水的混凝出水水質(zhì)

由圖4 可知，其中改性微電解材料出水的CODCr和PVA 去除率分別為48.7 %和36.8 %，而該商用微電解材料的僅為15.3 %和11.4 %，這是因?yàn)楦男晕㈦娊獠牧纤捎玫氖腔钚蕴糠勰⑴驖?rùn)土以及金屬鋁，同時(shí)添加造孔劑進(jìn)行造孔，這些材料與傳統(tǒng)的微電解材料相比，比表面積較大，可吸附的位點(diǎn)更多，對(duì)污染物的去除效果也相對(duì)更好，而且，鋁的金屬性比鐵活潑，在原電池反應(yīng)中，加強(qiáng)了微電解材料降解能力和適應(yīng)性。改性材料優(yōu)于市售效果。

圖4 不同材料微電解出水的水質(zhì)對(duì)比

4 結(jié)論

（1）選取NaHCO3作為造孔劑，其添加量為2 % (w/w)。

（2）改性材料鐵鋁碳三元微電解體系保存完整，顆粒更加細(xì)碎、分離，呈現(xiàn)出疏松的溝型縫道結(jié)構(gòu)，既保留了原始材料較高比表面積特點(diǎn)，又改善了物料之間的聚集狀態(tài)，改進(jìn)了原始材料條塊狀簇集的缺點(diǎn)，進(jìn)一步拓展了活性位點(diǎn)的數(shù)量。

（3）與某商用微電解材料對(duì)比，改性微電解材料處理出水的CODCr和PVA 去除率分別為48.7 %和36.8 %，均高于前者。