铁碳微电解技术处理MB染料废水的实验研究

李天鹏，高超,刘永霞

(枣庄学院 城市与建筑工程学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

铁碳微电解技术(Iron Carbon Microelectrolysis Technology, ICMT)是将两种具有不同电极电位的金属或金属与非金属直接接触在一起，浸泡在传导性的电解质溶液中，利用填充在废水中的微电解材料自身产生电位差对废水进行氧化处理，发生电池效应而形成无数微小的腐烛原电池，以达到降解并去除污染物的目的[1-3].ICMT的基本原理是铁屑受到电化学腐蚀作用变成Fe2+进入溶液.由于Fe2+具有混凝作用，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[4,5].总之，ICMT是絮凝、吸附等多种作用综合效应的结果，使常态下难以进行的反应得以实现，从而可以起到处理废水的作用[6].

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV 5500型紫外可见光光度计(上海元析仪器有限公司)、DHG-9140A型电热鼓风干燥箱(常州普天仪器制造有限公司)、90-2型恒温磁力搅拌器(常州兆圣实验设备制造有限公司)、15T/H实验室超纯水系统(苏州市嘉州精华设别有限公司).

亚甲基蓝染料(Methylene Blue，MB)购自国药集团化学试剂有限公司；NaOH和HCl分别购买于天津市风船化学试剂科技有限公司和莱阳经济技术开发区精细化工厂；铁屑取自山东省枣庄市市中区盛北金属收购厂；柱状活性炭购自河南省巩义市露丰处理填料有限公司.

1.2 实验步骤

准确称取0.50 g MB染料，于1000ml容量瓶中，先加少量蒸馏水充分溶解后，在用蒸馏水定容至刻度，摇匀后即为500 ml/L的MB标准储备液.采用稀释倍数法，配制不同浓度的MB标准使用液.

移取已配制的MB废水于烧杯中，调节初始pH值、添加铁屑和活性炭，然后于恒温磁力搅拌器上，搅拌一定的时间后，测量处理出水中MB的含量.

1.3 计算方法

(1)绘制MB标准曲线

分别移取0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、10.0、16.0和20.0 mL的50 mg/L MB标准使用液置于编号为1、2、3、4、5、6、7、8号100 mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，充分摇匀，这时MB的浓度分别为0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、8.0和10 mg/L.

在λ=665nm条件下，测定MB的吸光度.以MB浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，采用Excel软件进行线性拟合，结果如图1所示，拟合的线性方程如式(1)所示.

图1 MB标准曲线

y=0.1858x+0.0458，R2=0.9970

(1)

由图1和式(1)可得，本实验所得到的MB标准曲线呈良好线性关系(R2= 0.9970)，符合本试验的使用标准，可用于相关数据的处理.

(2)去除率的计算

MB的去除率由公式(2)计算得到.

(2)

其中：C0—MB初始浓度；

Ct一反应t时刻时的MB浓度.

2 结果与讨论

本试验以MB的去除率为主要衡量指标，通过考察初始pH值、初始浓度、铁碳比、反应时间及反应温度等因素对水体中MB的去除效果，评价ICMT对MB染料废水的处理效果.

2.1 初始pH对去除率的影响

图2 初始pH值对MB去除率的影响

由图2可知，当pH<4时，MB的去除率随pH升高而升高,这是由于在酸性条件下，铁碳原电池电位差大，容易发生氧化还原反应，在电极上发生的氧化还原、电沉积、吸附作用能充分进行，而酸性过强，破坏了以Fe2+为胶凝中心的絮凝体的形成，且耗电量大，影响处理效果[7].

当pH>4时，MB的去除率随pH降低而降低，原因是酸性过弱，参加原电池反应的氢离子数目不足，Fe被氧化为Fe2+的效果不好，影响微电解反应进行.

当pH=4时，MB的去除率最高，为96.70%，表明该条件下ICMT对MB有较理想的处理效果.因此，本实验初始pH值为4.0.

2.2 初始浓度对去除率的影响

图3 初始浓度对水体中MB去除率的影响

由图3可得，随着MB初始浓度的增加，其去除率呈现逐渐降低的趋势，原因就在于浓度的增加给物质的传输提供了动力，使得深入填料内部的微电解反应增多.但随着浓度的进一步增加，MB的污染负荷超过了微电解填料的处理能力，去除率的提升逐渐减缓甚至出现下降的趋势[8].

故在MB降解过程中，需要同时考虑去除率与反应效率，根据MB的浓度选择合适的铁碳投加量，保证有效的去除效果与材料利用率.因此，在有较好的处理效果及能充分的利用铁碳的前提下，选择MB废水的初始浓度为100 mg/L.

2.3 铁碳比值对去除率的影响

图4 铁碳质量比MB去除率的影响

根据图4可知，在铁碳比为1.5:1时MB的去除率为88%，0.5:1时为75%，大于1.5:1时反而下降.这是因为铁屑和活性碳与MB溶液在经过充分搅拌进行反应时，铁粉和活性炭在电解质溶液中形成大量的微型原电池，这些原电池的数量会影响铁碳微电解反应的处理效果.

在铁碳比为1.5:1之前时，随着铁屑投加量的增加而增加，主要原因是铸铁屑中含有大量的炭元素，当浸于传导性较好的水体中时，由于铁元素与炭元素间存在明显的氧化还原电势差，从而形成了许多微观原电池，且微观原电池的数量随铁屑投加量的增加而增大，因而去除率随铁屑投加量的增加而增大.

当铁碳比过大时，一方面使液体粘度增大，不利于质量传递；另一方面溶液中 Fe2+的含量不断增多，其水解产物 Fe(OH)2持续产生并覆盖于铁屑表面, 使原电池化学作用减弱，从而导致去除率也下降[9].综合考虑，最后确定ICMT降解水体中MB染料的最佳铁碳质量比为1.5：1.

2.4 反应时间对去除率的影响

图5 反应时间对MB去除率的影响

由图5可知，去除率随着反应时间的增加先增加较快，反应时间到60min后增长较小，基本趋于稳定.因为60min前活性炭对染料的吸附作用导致去除率增高.

出现这种变化趋势的可能原因是微电解反应产物Fe2+、[H]等较多且具有较高的反应活性，可与MB分子发生充分的还原反应，将MB的大分子基团降解为小分子物质，进而去除率降低；60min后染料的的去除率变化很小，趋于稳定，表明反应已基本处于平衡状态，从能耗上考虑，最佳反应时间60min[10].

2.5反应温度对去除率的影响

图6 反应温度对MB去除率的影响

从图6中可以看出，反应温度对微电解过程具有一定的影响.MB的去除率随反应温度的升高略有升高，这是因为反应温度使水体中的MB分子运动速度加快，从而加快微电解进行的速度，提高了微电解的反应速率.

从图6还可以看出，MB去除率随反应温度的变化幅度相对较小，活性碳的吸附与脱附的平衡变化不太大，所以在一定范围内，反应温度对ICMT处理MB染料废水的效果影响不是很大，一般在室温(30oC)下即可进行[11].

2.6 机理分析

ICMT，即利用铁和碳之间的电极电位差在电解质溶液中形成微原电池，基于原电池的氧化还原原理对水中污染物进行降解[12].

原电池反应式如下：

阳极( Fe) : Fe-2e-→Fe2 +(3)

阴极( C) : 2H++ 2e-→2H+→H2(4)

生成的Fe2+和[H]具有较强的活性，能与MB原液中难降解的有机物发生反应，通过各种作用破坏了MB的共辗基团结构而使其脱色，使染料结构式中的有色基团发生开环降解，使染料发生彻底降解.

3 小结

(1) ICMT对水体中的MB有较好的处理效果，在初始pH为4、铁碳比为1.5:1 (铁屑最佳投加量为3 g)、作用时间为60 min、30oC (室温)时，MB的去除率高达89%.

(2) ICMT作为一种高效、环保的废水处理方法，具有无需添加剂，设备体积小，占地面积小，操作灵活，适用范围广、处理效果好、运行成本低等优点，能有效地处理色度大、有机物难降解的染料废水，获得良好的经济效益和环境效益.