鐵碳微電解法處理鉛鋅冶煉廢水的研究

劉智峰

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 水樣來源與性質(zhì)

鉛鋅廢水來源于漢中某冶煉公司，廢水中的主要污染物為鉛、鋅等重金屬離子和有機(jī)物。水質(zhì)狀況如表1所示。

表1 鉛鋅廢水水質(zhì)

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

儀器：pH計(jì)、電子天平、電熱套、冷凝回流裝置、具塞比色管、燒杯、量筒、玻璃棒、容量瓶、移液管等。

藥品：濃硫酸、鐵粉、粒狀活性炭（市售）、氫氧化鈉、硫酸鋅、硫酸、鹽酸、氫氧化鈣。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料預(yù)處理

（1）活性炭處理：清水洗凈，過濾，烘干備用，實(shí)驗(yàn)前用待測溶液吸附至飽和，以消除其對水樣的吸附作用。

（2）鐵粉處理方法：用5%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的NaOH溶液常溫浸泡2 h，以去除表面油膜，后用清水沖洗至中性；臨用前用pH＝3的稀硫酸活化0.5 h，以去除表面的氧化膜，再用清水沖洗至中性備用。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

廢水在進(jìn)行處理前需加入氫氧化鈉將pH值值調(diào)節(jié)至4～6，以滿足微電解法對反應(yīng)初始pH值的要求。首先在燒杯中放入一定量的鐵粉和活性炭（吸附飽和），然后加入鉛鋅廢水水樣，在不同條件下反應(yīng)一定時(shí)間后，靜置，取上層清液測定COD和色度。根據(jù)COD和色度的去除率，來確定最佳的初始pH值、鐵粉投加量、鐵碳比和反應(yīng)時(shí)間。

本實(shí)驗(yàn)包括單因素影響實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)兩部分。首先采用單因素實(shí)驗(yàn)法，逐一考察鐵粉投加量、pH值、鐵碳比、反應(yīng)時(shí)間四因素對COD和色度去除率的影響。再利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對鉛鋅廢水進(jìn)行處理，探尋最佳處理?xiàng)l件。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析方法

CODCr采用重鉻酸鉀法測定；pH值采用PHS－3C型酸度計(jì)測定；色度的測定采用稀釋倍數(shù)法。微電解法處理鉛鋅廢水的效果，采用廢水CODCr和色度的去除率衡量，CODCr和色度的去除率按以下公式計(jì)算：

式中：

μ為去除效率，%；

n0為反應(yīng)前指標(biāo)的初始值；

n1為反應(yīng)t時(shí)間后指標(biāo)的值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 初始pH值對去除率的影響

取7份廢水水樣各100 mL置于燒杯中，調(diào)節(jié)其 pH 值分別為 3、4、4.5、5、5.5、6、7， 鐵粉投加量為5 g，鐵碳比為1∶1，反應(yīng)溫度為25℃，反應(yīng)時(shí)間為30 min。反應(yīng)完成后，靜置5 min，取上清液，測量其色度和COD?？疾觳煌琾H值對水樣中COD、色度去除率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 初始pH值對COD去除率和色度去除率的影響

從圖1中可明顯地看出，一開始隨著廢水水樣初始pH值的升高，COD去除率開始增大，當(dāng)pH值為5時(shí)，COD的去除率達(dá)到最高，為80.1%，此時(shí)濁度的去除率也達(dá)到較高的54.29%，之后COD和色度的去除率又開始隨pH值的增加而減小。

一般而言，酸性條件下微電解的效率更高，這是因?yàn)椋孩偎嵝詶l件導(dǎo)致廢水中污染物的溶解特性發(fā)生變化，一些極性較強(qiáng)的有機(jī)物溶解度降低；②鐵在酸性條件下處于腐蝕區(qū)，酸性越強(qiáng)，原電池反應(yīng)也越劇烈，有利于微電解各種物理化學(xué)作用的實(shí)現(xiàn)。

但是pH值也不是越低越好，隨著pH值的降低，溶液中的H＋大量增加，加速了Fe的腐蝕，造成出水中 Fe3＋增多，從而造成出水色度增加［6］。綜合考慮，pH值為5的條件下處理該鉛鋅廢水的效果較為理想。

2.1.2 鐵粉投加量對去除率的影響

取7份廢水水樣100 mL置于燒杯中，調(diào)節(jié)pH 值為 5.0，設(shè)計(jì) 7 組不同的鐵粉投加量 1、2、3、4、5、6、7 g，控制鐵碳比為 1∶1，反應(yīng)溫度為 25 ℃，反應(yīng)時(shí)間為30 min。反應(yīng)完成后，靜置5 min，取其上清液，測量色度和COD?？疾觳煌F粉投加量對水樣中COD和色度去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 鐵粉投加量對去除率的影響

由圖2可知，隨著鐵粉投加量的增加，COD和色度的去除率逐漸增加，當(dāng)鐵粉投加量為4 g時(shí)，COD的去除率達(dá)到最高的79.25%，色度去除率基本也達(dá)到最高的55.26%，繼續(xù)增加鐵粉的投加量，COD的去除率沒有較大的變化，維持在80%之間，此時(shí)色度的變化率也不是很大。隨著鐵粉的投加量的繼續(xù)增加，COD的去除率反而有一定的下降，所以選擇鐵粉投加量為4 g，再繼續(xù)投加時(shí)，處理效率沒有提高，反而造成了鐵粉的浪費(fèi)。

2.1.3 不同鐵碳比對去除率的影響

取7組廢水水樣各100 mL置于燒杯中，調(diào)節(jié)pH值為5.0，設(shè)計(jì)7組不同的鐵碳比分別為：1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1，反應(yīng)條件為：鐵粉投加量為4 g，反應(yīng)溫度為25℃，反應(yīng)時(shí)間為30 min，反應(yīng)完成后，靜置5 min，取上清液，測量其色度和COD?？疾觳煌F碳比對水樣中COD和色度去除率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 不同鐵碳比對去除率的影響

從圖3可以看出，在以上實(shí)驗(yàn)中，鐵碳比為1∶3時(shí)的效果最差，COD的去除率僅為40%。當(dāng)鐵碳比為2∶1時(shí)，廢水中的COD去除效果達(dá)到最佳，此時(shí) COD 去除率為 79.29%，色度為 57.2%。過低或過高的Fe∶C均沒有較好的去除率，原因是：鐵碳微電解技術(shù)是應(yīng)用原電池的原理，以純鐵做陽極，純碳為陰極，過低的鐵碳比，形成鐵碳原電池的數(shù)量少，且使得陽極與陰極之間的電解作用降低，原電池反應(yīng)不易進(jìn)行，氧化還原作用減弱，難以有效地處理廢水。當(dāng)鐵碳比為2∶1時(shí)，鐵和碳發(fā)生原電池反應(yīng)的數(shù)量達(dá)到最大，電解作用最為強(qiáng)烈，去除效果最好。

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對去除率的影響

分別取鉛鋅廢水水樣100 mL置于6個(gè)200 mL的燒杯中，調(diào)節(jié)pH值為5.0，設(shè)計(jì)6組不同的反應(yīng)時(shí)間：10、20、30、40、50、60 min。 控制鐵碳比為2∶1，反應(yīng)溫度為25℃，反應(yīng)時(shí)間為30 min。反應(yīng)完成后，靜置5 min，取上清液，測量其色度和COD?？疾觳煌磻?yīng)時(shí)間對水樣中COD和色度去除率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對去除率的影響

從圖4可以看出，反應(yīng)時(shí)間越長，反應(yīng)越完全，COD、色度去除率越高。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間小于40 min時(shí)，去除率增大的速率較大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于40 min后，COD和色度去除率不再有較大的變化，并開始下降。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為40 min時(shí)，COD和色度的去除率分別達(dá)到77.50% 和56.87%。

在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為40 min時(shí)，出水的顏色較為澄清，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，出水顏色開始加重，原因是：隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，反應(yīng)更加充分，F(xiàn)e—2e→Fe2＋，溶液中的 Fe2＋含量增加，并伴有 2Fe2＋＋O2＋4H＋→2H2O＋Fe3＋，因此出水中的Fe3＋含量變多，出水顏色變黃，50到60 min時(shí)出現(xiàn)紅褐色。從去除率來看，反應(yīng)時(shí)間的延長可以使電極反應(yīng)產(chǎn)物與廢水中污染物進(jìn)行充分的電化學(xué)、氧化還原、絮凝反應(yīng)，去除率在40 min時(shí)達(dá)到了最佳的處理效果，再延長時(shí)間，去除率不再有明顯的提高。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

上面僅進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)。為了確定在各影響因素共同作用下的最佳反應(yīng)條件及各因素的影響比重，后續(xù)工作得進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，探討各因素中不同水平的組合對鉛鋅冶煉廢水的處理效果。

在單因素的基礎(chǔ)上，對選取pH值、鐵粉投加量、鐵碳比、反應(yīng)時(shí)間四個(gè)因素各取三個(gè)水平，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，套用L9（34）正交表，以COD和色度去除率為考察對象，通過極差分析找出處理鉛鋅廢水的最佳實(shí)驗(yàn)條件。正交實(shí)驗(yàn)因素水平表和正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析得出：

（1）方案一：四因素對COD去除率影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋悍磻?yīng)時(shí)間＞pH值＞鐵碳比＞鐵粉投加量。影響最大的因素是反應(yīng)時(shí)間。最優(yōu)條件：pH值為5；鐵粉投加量為 40 g／L；鐵碳比為 3∶1；反應(yīng)時(shí)間為50 min。

（2）方案二：四因素對色度去除率影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋簆H值＞鐵粉投加量＞鐵碳比＞反應(yīng)時(shí)間。影響最大的因素是pH值。最優(yōu)條件：pH值為5；鐵粉投加量為 40 g／L；鐵碳比為 2∶1；反應(yīng)時(shí)間為40 min。

2.3 最優(yōu)方案

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，得出2種最優(yōu)方，見表4。

表4 最優(yōu)方案

從表4中可以看出，兩種方案都具有較好的COD和色度去除率，其中方案一的去除效果相對更好一點(diǎn)，因此把它確定為最佳方案。

3 小結(jié)

（1）鐵碳微電解法處理鉛鋅冶煉廢水，通過絮凝、吸附、架橋、卷掃、共沉、電沉積、電化學(xué)還原等多種作用綜合效應(yīng)處理后，廢水的COD大部分已被去除，色度也降低了，廢水的可生化性有明顯改善。

（2）單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鐵碳微電解法處理鉛鋅冶煉廢水時(shí)，在各種實(shí)驗(yàn)條件下，最佳鐵粉投加量為 40 g／L，最佳鐵碳比為 2∶1，最佳 pH 值為5，最佳反應(yīng)時(shí)間為40 min，為正交實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（3）通過正交實(shí)驗(yàn)可以得出，反應(yīng)時(shí)間為主要影響因素，pH次之，鐵碳微電解法處理鉛鋅冶煉廢水的最佳組合條件為：反應(yīng)時(shí)間為50 min，pH值為 5，鐵碳比為 3∶1，鐵粉投加量為 40 g／L。 在此條件下，CODCr去除率達(dá)到84.13%，色度去除率達(dá)到 62.94%。

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