超声协同铁炭微电解处理印染废水孙婷婷

化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2009年第28卷增刊超声协同铁炭微电解处理印染废水孙婷婷,薛建军(南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京210016)摘要:应用超声波/铁炭微电解联合技术,以实际印染废水为目标污染物,采用自制的反应装置考察超声波/铁炭微电解技术的协同效应,研究废水的初始pH值、铁屑投加量、停留时间等因素对废水降解效果的影响,并在相同条件下对有无超声的铁炭微电解处理废水的降解效果进行对比。研究结果表明:单独铁炭微电解条件下,当物水体积比为14/,脚水体积比为l2/,反应时间为120min,pH值为7时,对废水的COD去除率达到90%;而在超声条件下,铁炭微电解对废水的处理效果明显改善,COD去除率达到98%,说明超声波和铁炭微电解对处理印染废水有明显的协同效应。关键词:铁炭微电解;协同效应;超声;pH值;反应时间铁炭微电解俗称“铁床’夕,国际上称为“CMRO”。我国开始研究微电解法处理印染废水技术始于20世纪80年代。近年来,国内外己有相关微电解塔改进性实验及工程实践的报道。目前对微电解法的研究主要集中在工艺操作条件,如pH值、反应时间、填料比等对不同种类染料废水的处理效果的影响上l[一2]。20世纪80年代末期发展起来的超声波技术,是一种极具产业前景的深度氧化技术(advancedoxidationproeess,Aop),利用超声波降解水中的化学污染物,尤其是难降解的有机污染物,是近年发展起来的一项新型水处理技术3[]。但此法不是很经济。为提高其降解效率,降低运行费用,一些学者相继开发了超声波与其它物理化学方法协同作用的新处理工艺。为了探索超声存在条件下铁炭微电解对印染废水的降解效果,通过对比实验考察得出在处理印染废水的过程中,超声对铁炭微电解具有显著的协同降解效应,能显著提高对废水COD的去除率。口口口冷却水出口图l超声十铁炭微电解反应装置1一超声发生器;2一微电解反应器;3一铁屑;4一活性炭1实验部分Ll实验装置超声波协同铁炭微电解反应装置为自制反应装置,如图1所示。由于超声波的热效应,反应槽内水温会随着反应进行而不断升高,从而对实验结果产生影响。实验所设计的装置操作简单、使用方便,冷却水的引入避免了温度对反应的影响。超声发生装置的引入能够有效地防止因超声施加不均匀引起的微电解反应器内出现局部反应过快的现象发生。LZ实验方法1.2、1铁炭微电解实验方法本实验以初始CoD值为756.25m妙的实际印染废水为处理对象。实验过程中为避免铁屑表面油渍和氧化膜对结果产生影响,应对铁屑进行预处理,具体方法是闪:废铁屑用10%碱液浸泡并小火加热30min除油,后用3%的稀盐酸浸泡30min去除表面氧化物,用清水冲净待用。铁屑应即处理即用,避免因表面钝化或生锈影响实验效果。实验采用正交设计法考察pH值、停留时间、铁/水比、炭冰比对废水COD的去除效果。1..22超声条件下铁炭微电解实验方法超声与铁炭微电解联用的实验采用单因素设计方法分别考察pH值、停留时间对废水处理效果的影响,并在相同条件下对比未施加超声时铁炭微电解对废水的处理效果。2结果及机理分析.21铁炭微电解正交实验铁炭微电解静态实验的结果和极差分析见表1。增刊孙婷婷等:超声协同铁炭微电解处理印染废水表1铁炭微电解正交实验结果和极差分析FeH/20(体积比)反应时间PH值CH/20COD(体积比)/mg·L一,去除率从而使得即使pH值很高,COD去除率也未有明显下降。pH值为3时,COD的去除率最高,因为适当高的H+浓度可促使铁屑表面的即时更新,增加更多的活性位5[],因此铁炭微电解反应在酸性条件下,可促使电解反应的进行。另外,溶液中的氧和H+在超声波的激发下,会产生更多的·oH[6一7]。2.2.2反应时间对COD去除率影响的机理分析该组实验pH值采用上述实验得到的反应最佳值为3,而铁/水体积比为14/,炭/水体积比为1/2保持不变,反应时间分别取30min、60min、90min、120min,实验结果如图3所示。64ùI一4fl6`1.,jQ了...……,才了O,oj了ù6r、1,`4,jn6n汽OnU风ùO6n汽ùO声RùO凡ù941031258010612460122119424442244/////////,.J`..1,、ú,、ú1.1`..1...1,、ù,.人3060120601203012030604244////2/4/4/2/4/,.且l凡jl`..1,、..11内、一,J,Jlró哎éù、一ū苦了,了ū了l,石凡j4砚曰`Ulln入八,jRZ·818.16.14·9由药值可知,铁/水体积比为14/,炭/水体积比为12/,pH值为7,反应时间120min为最佳工艺组合。在此条件下,铁炭微电解对废水的COD去除率可达85%~90%。.22超声联合铁炭微电解实验.22.1初始pH值对COD去除率影响的机理分析常温下,固定停留时间为60min,利用氢氧化钠溶液和盐酸调节废水的初始pH值,并在相同条件下以单独铁炭微电解作对比实验,实验结果见图2。图3反应时间对COD去除率的影响PH值图2pH值对COD去除率的影响由图2可以看出,采用超声协同铁炭微电解,对印染废水的COD去除效果较单独的铁炭微电解有明显提高。当pH=l时,COD去除效果不理想,且在实验初期有大量的小气泡生成,可能原因是:酸性越强,铁的消耗量越大,酸性过强时,大量产生的氢离子结合为氢气逸出。pH过高时,氢离子供应不足也会影响COD去除率。但由于超声的空化效应,形成的局部高温、高压下有利于铁屑表面的传质作用,由图3可以看出,当反应时间超过30min,使用超声协同铁炭微电解对废水的COD的去除效果有显著提升。单独使用铁炭微电解时,随着时间的进行,COD去除率提升不明显,在90min时处理效果趋于平缓;而超声条件下,COD的去除率有明显的提升过程。单独铁炭微电解在反应90min后,COD去除率趋于平缓,原因是随着反应进行,有机物的降解使铁屑和活性炭表面附着有惰性层,加上铁屑的进一步腐蚀、电子受体的消耗而使反应放缓,COD去除率并没有明显变化。加入超声作用后,COD的整体去除率有非常显著的提高。在反应开始的30min内废水COD的去除速度最快。原因在于:反应开始时,废水中有机物的浓度高,电解反应和活性炭的吸附作用同时进行;而在反应进行到60min时,随着铁屑表面惰性层的形成及活性炭的吸附饱和,反应速度开始趋于缓和,但仍高于未施加超声条件下的反应效率。.23超声联合铁炭微电解作用机理分析本实验所用的处理印染废水的方法主要是基于以下机理:在铁炭微电解系统中,主要有电化学作化工进展2009年第28卷用、氧化还原作用和絮凝作用。铁炭微电解法在作用过程中电极上发生了如式(l)~式(3)的反应。阳极:Fe一Ze一F矛+(l)阴极:酸性条件ZH++Ze一2[H〕一H:(2)碱性或中性条件仇2+玩0十4e一4oH一(3)反应过程中生成的Fe2+具有较高的化学还原活性,可使某些组分还原。在酸性溶液中,电极反应产生的新生态[H]与废水中的有机污染物发生反应,使其结构被破坏(如破坏染料的发色和助色集团,使其失去发色能力;大分子物质分解为小分子的中间体,使某些难生化降解的化学物质转变成容易生化处理的物质),同时反应产生的铁系化合物Fe(oH):和Fe(oH)3为良好的絮凝剂,可对废水中的悬浮物以及部分溶解性有机物通过絮凝沉降而与水分离,多种效应综合作用的结果致使废水中大部分有机物被去除。另外,在微原电池周围电场的作用下,废水中以胶体状态存在的污染物可在很短的时间内完成电泳沉积过程,富集在铁炭物料的表面8[]。除此之外,活性炭的吸附也是重要的作用。实验过程中超声波的引入能产生空化效应,空化效应加速了反应过程中的传质作用,也有助于清洗铁炭物料表面,保证反应过程中电子受体的供给。同时超声波的振荡波能够推动水流在容器内各个角落分布,从而使铁炭颗粒可以均匀地分布在处理液中,而不会产生死角,这样有助于反应充分进行,因而理论分析认为加入超声波后可以省略搅拌的工序[9]。(2)超声条件下,铁炭微电解处理该印染废水的最佳反应条件为:pH值为3,反应时间为60min。在此条件下,对原水COD去除率达到%.4%,出水COD值远低于国家工业用水排放一级标准(100mgL/)。(3)对比超声作用下的微电解和单独微电解实验可以看出,超声对微电解反应具有协同作用,能显著提高对废水COD的降解效果。这主要是由于超声特有的空化效应l0[〕,能够有助于清洗铁屑和炭粒表面,保持微电解反应中电子受体的供应:在空化作用产生的高温(约s000K)、高压(约5x10,Pa)下,水分子裂解产生H·和氧化能力很强的·OH〔`0],有利于对有机物的氧化去除。此外,声波的颗粒表面冲刷机械效应和热效应对有机物的去除贡献也不容忽视。参考文献3结论(l)铁炭微电解处理该印染废水的最佳实验条件为:铁/水体积比为14/,炭/水体积比为12/,反应时间为120min,pH值为7。在此条件下,对初始CoD值为75.625m叭的印染废水的c0D去除率可达92.1%。〔l]赖鹏.赵华章,王超,等.铁炭微电解深度处理焦化废水的研究闭.环境工程学报,2007(3):15一20.2[」申泽星,宋智,王飞羽,李晓君.微电解法处理染料废水试验研究lJ[.矿冶,2007(6):82一84.侈]珑ibhavDesia,ShenoyMA,oGgatePR.UI加soniede脚dationoflow目densityPolyehtylene「刀.hCemicalEgni月ee八心刀印口月朋ent,2008,47(9一10):1451一1455.4[]蒋莉,孔峰,马飞,李金梅.铁炭微电解法预处理DrTA有机废水的研究闭.化学工程师,2006(12):5`57.5[]白波,陈志红,王莉平.超声波激一炭微电解祸合处理直接大红4BE染料废水〔J].应用化工,2007(2):130一133.[6」Can】乙汀esP,G肚caGomezJ,LoabtoJ,etal.Elcetr}比emiealoxidationofaqueouscarboxylicacidwastesus呢di别旧ondhtinZif恤eleeotrdes[J]J沙以肠啥;hCem.Res.,2003,42:956一962.走7]C如stianP,Bema】dD,SergeL.UI比邓onledegaZda里ionat20kHzand500取Hzof别traZmeandePoatch10roPhenolinaqueoussolutionrePlimin叮results「J].hCemosP人ere,1996,32(9):1709一1718.8l[张亚静,应金英,陈晓峰.铁炭内电解法处理印染废水1J[.环境污染与防治,2002,22(5):33一36.9[1彭晓兰,陈晨,龙娟,孙靖超声内电解协同作用对对硝基苯酚的处理闭.1业给排水,2007,33(5):l“一167.l[01谢伟立,钟理.超声波在有机废水处理中的应用J[].广东化工,2006(6):76一78,81.第一作者简介:孙婷婷(1984一),女,硕士研究生,研究方向为废水处理技术与应用。E一[e-mail]。