微电解陶瓷材料处理印染废水的研究

王跃超 刘成宝 陈丰

摘 要 本研究以苏州土、铁粉与活性炭粉末等为主要原料制成新型微电解陶瓷产品，探讨了产品铁碳比、孔隙率、曝气池曝气工艺等因素对处理印染废水效果的具体影响。

关键词 微电解；三元体系；印染废水；铁碳；孔隙率

0 前 言 微电解法是利用金属腐蚀原理，形成原电池对废水进行处理的良好工艺，又称为内电解法、零价铁法、铁屑过滤法、铁碳法。是一项被广泛研究与应用的废水处理技术。因其工艺简单、操作方便且可达到“以废治废”的目的，近年来受到广泛重视。 铁碳微电解是当将铁屑和碳颗粒浸没在废水中时，由于铁和碳之间的电极电位差，废水中会形成无数个微原电池。这些细微电池是以电位低的铁成为阳极，电位高的碳做阴极，在含有电解质的水溶液中发生电化学反应的。反应的结果是铁受到腐蚀变成二价的铁离子进入溶液。由于铁离子有混凝作用，它与污染物中带微弱负电荷的微粒异性相吸，形成比较稳定的絮凝物（也叫铁泥）而去除。其中电位低的铁成为阳极，电位高的碳成为阴极，在酸性充氧条件下发生电化学反应，其反应过程如下： 阳极（Fe）： Fe→ Fe2++2e 阴极（C）：2H++2e→2[H]→H2 反应中，产生的了初生态的Fe2+和原子H，它们具有高化学活性，能改变废水中许多有机物的结构和特性，使有机物发生断链、开环等作用。 若有曝气，即充氧，还会发生下面的反应： O2+2H2O+4e→4OH-； O2+4H++4e→2H2O； 2Fe2++O2+4H+→2H2O+2Fe3+ 反应中生成的OH-是出水pH值升高的原因，而由Fe2+氧化生成的Fe3+逐渐水解生成聚合度大的Fe（OH）3胶体絮凝剂，可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，从而增强对废水的净化效果。 本文以苏州土、铁粉与活性炭粉末等为主要原料烧制成新型微电解陶瓷产品，研究铁碳比对处理印染废水的影响；并制备出不同孔隙率的产品，研究孔隙率对处理印染废水的影响；在曝气池中研究曝气工艺对用铁碳材料处理印染废水的影响。1 试 验1.1试验原料 铁粉（纯度95%，D50=200μm）、碳粉（纯度99%，D50=100μm）、铜粉（纯度98%，D50=100μm）、苏州土（机选1号）、长石、碳酸钙，酸性大红GR（纯度99%，南京染料厂）。1.2样品制作 根据实验需要按不同配方称取原料，加入0.4%羟甲基纤维素钠和适量的水，球磨5h后，采用注浆成型制作出尺寸为Φ10mm×10mm尺寸的圆柱型坯体，坯体在80℃下干燥2h，然后在1 200℃还原气氛下烧成。 用1%浓度酸性大红溶液模拟印染废水，投入铁碳电解材料样品，测试投入前后废水溶液COD，研究不同样品的COD去除率。将模拟废水放入曝气反应器中，投入铁碳材料样品，研究曝气对处理印染废水的影响。1.3测试 排水法测试样品的气孔率；用COD测试仪（连华科技5B-6C）检测废水处理前后的COD，计算出COD去除率；用色度仪测废水色度，计算出色度去除率。2 分析与讨论2.1材料中碳铁比对废水处理的影响 研究铁碳比对处理效果的影响时，采用固定的因素条件为：①材料配方中除铁碳外其他均相同，制备工艺也相同，制成样品尺寸也相同。②相同质量的废水中投入相同质量的样品③相同的反应时间，相同的处理工艺。 样品中铁碳质量比采用7个梯度，分别为：7：1、6：1、5：1、4：1、3：1、2：1、1：1，在不曝气的条件下，在7组500ml的废水（浓度为1%的酸性大紅溶液）中投入各100g的样品，在曝气的情况下停留3h后，分别测试其COD去除率，得到表1。 从表中可以看出，从Ⅰ→VII，随着样品中铁碳比例的降低，COD去除率先提高后降低。分析其原因为：在铁碳材料中，碳的目的就是与铁形成原电池效应来促进废水中污染物的降解。当样品中碳量低时，增加碳含量，可使体系中的原电池数量增多，提高对有机物等的去除效果；但当碳含量过量时，铁含量不足，使得体系中原电池数量减少，反而抑制了原电池的数量，更多表现为碳粉的吸附作用。 通过实验我们得出：在处理印染废水时，铁碳微电解陶瓷材料中铁碳的质量比在5∕1时，COD去除率最高。 2.2掺杂元素Cu对产品性能的影响 我们选用Cu作为掺杂元素，分别在微电解材料中添加占铁碳总质量0%、2%、4%、6%、8%的Cu，制成Fe-Cu-C三元微电解体系。 将200g相同形状不同Cu加入量的样品分别投入到1 000ml的GR废水中，分别测试30min、60min、90min、120min、150min、180min后的COD去除率见图1。 由图1中可以看出Cu的加入提高了反应速率，而且增强了去除效果。分析原因为，一方面Cu加入后和Fe形成双金属还原体系加强了还原反应，增强了处理效果；另一方面，Cu是一种良好的导体， Cu的引入可以促进微电极反应产生电子的快速分离，加快了Fe的溶解速度，使铁离子数量增加，絮凝作用和氧化还原作用增强，从而提高反应效率。 但是当Cu含量增加到Fe-C总量的6%时，Cu的增强效果明显减弱，而且在反应后期，COD的处理效果明显不如Cu含量低的样品，分析原因是随着Cu含量的增加，使微电解材料中Fe和C的比例降低，使得材料中Fe-C原电池的数量减少，取而代之的是Fe-Cu原电池，由于Fe-Cu电势差较Fe-C低，因此产生的电场弱，电化学附集能力低，因此，反应后期处理效果降低。2.3材料气孔率对废水处理的影响 研究材料气孔率对处理效果的影响时：保证相同铁碳含量及铁碳比，通过调节苏州土、长石和碳酸钙的比例制备出不同气孔率的样品，表2为不同配方样品的气孔率。 将200g相同形状不同气孔率的样品分别投入到1 000ml的GR废水中，分别测试3h、6h、12h、24h、48h、72h后的COD去除率见图2。 从图2中可以看出，在反应初期，材料气孔率越高，COD去除率越高，分析原因是由于气孔率高，材料比表面积大，反应活性更高，反应速度快，此时的COD去除率高；但随着反应时间的增加，COD去除率趋于平稳，说明反应后期COD去除率受气孔率影响明显减小，分析原因，反应初期气孔率高的样品释放出了更多的Fe，但随着时间的推移，由于材料中所含铁碳比，铁碳含量相等，材料中所释放出的铁碳总量一定，因此对废水中的COD去除率趋于相同。 因此，采用铁碳微电解材料处理废水时，材料的气孔率能增加材料的活性，提高反应效率，能够有效缩短废水处理的时间。2.4曝气的影响 在曝气池进行废水处理试验，选取不曝气和曝气两种试验方式进行试验，其他参数设定如下：进水酸性大红GR浓度为1%，溶液pH=5，反应时间为3h，得出结果见表 3所示。 由表3可知，在曝气条件下的COD去除率比不爆气条件高10%以上，分析其原因：曝气使水中的O2含量增加，易和水反应生成H2O2，而H2O2与反应产生的Fe2+组成芬顿试剂，生成具有强氧化性的自由基，能将有机物迅速氧化成小分子；另外，氧气的存在和酸性条件的共同作用，促使2Fe2++O2+4H+→2H2O+ 2Fe3+，反应产生大量的Fe3+，而Fe3+水解产物的络合絮凝作用比Fe2+水解产物更强，可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，从而增强对废水的净化效果。 不曝气条件下的色度去除率高于曝气条件下，分析其原因是由于曝气条件下，O2与染料分子争夺阳极电子导致染料的不完全还原造成的，但两者仅相差1%左右，这表明曝气对脱色效果的影响并不是太明显。 试验结果表明曝气对微电解降解酸性大红GR过程是有利的。3 总 结 （1）微电解陶瓷材料中，铁碳质量比在5/1时，对印染废水处理的效果最明显。 （2）在处理印染废水时，Cu的加入可以提高反应速率，增强去除效果；但是铜含量应控制在Fe-C总质量的6%以内，过多的铜加入反而会降低去除效果。 （3）提高微电解陶瓷材料的气孔率，能够有效提高微电解材料的活性，提高反应效率，缩短废水处理的时间。 （4）曝气能够有效提高微电解材料处理废水效率，提高COD去除率。参 考 文 献[1]李天鹏，荆国华，周作明.微电解技术处理工业废水的研究进展及应用[J].工业水处理.2009（29）：10-13[2]舒文勃，杨娜娜，杜敏娟，李琛.铁炭微电解技术在制药废水预处理中的研究与应用[J].杭州化工.2010（3）：4-8[3]曹雨平，刘亚凯，邓阳清.三元微电解体系在废水处理中的实验研究[J].工业水处理.2011（12）：66-68[4]秦树林.多元微电解技术对高浓度化学清洗废水预处理的影响[J].环境工程学报.2012（10）：3563-3567[5]田京雷，马娥.新型铁碳活性焦处理工业废水的应用分析[J].宽厚板.2013（5）：29-31[6]姜兴华.强化铁碳微电解技术在印染废水处理中的应用研究[D].苏州科技学院硕士论文.2009