堿對(duì)高鐵酸鹽去除硫化氫氣體的影響研究

姜春泮，劉惠玲，王夢(mèng)夢(mèng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

堿對(duì)高鐵酸鹽去除硫化氫氣體的影響研究

姜春泮，劉惠玲，王夢(mèng)夢(mèng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

采用電解的方法制成具有強(qiáng)氧化性的高鐵酸鹽，利用產(chǎn)生的高鐵酸鹽在線去除H2S氣體.研究發(fā)現(xiàn)，在常溫常壓下，電流密度為4 mA/cm2，初始硫化氫的體積百分含量為80×10-6時(shí)，電解液使用NaOH比使用KOH效果好，KOH的濃度為8 mol/L時(shí)，H2S的氧化率最高只有80.36%，而NaOH的濃度為7 mol/L時(shí)，H2S的氧化率最高可達(dá) 91.65%，而且NaOH濃度為5～9 mol/L時(shí)，H2S的氧化率可達(dá)46.94%～91.65%.

高鐵酸鹽；硫化氫；氫氧化鈉；氫氧化鉀

一些來(lái)源于污泥處理工藝以及其他城市廢物處理設(shè)施，如垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站，垃圾填埋場(chǎng)等的臭味已經(jīng)引發(fā)越來(lái)越多的投訴[1].含硫化合物被認(rèn)為是引起污泥臭味主要的物質(zhì)之一[2].這些含硫化合物主要包括硫化氫，硫醇，二甲基硫和二硫化碳等[3].硫化氫是其中一種典型的有毒含硫臭氣，在空氣中體積百分含量0.05×10-6微量的硫化氫就會(huì)被人識(shí)別，有臭雞蛋氣味，長(zhǎng)時(shí)間暴露在含低濃度的硫化氫的環(huán)境中不僅嚴(yán)重地威脅人身安全，而且會(huì)引起設(shè)備和管路的腐蝕和催化劑中毒，因此，必須對(duì)硫化氫進(jìn)行脫除[4].

大多數(shù)處理臭氣的干法，如活性炭吸收法[5-6]，膜分離法[7]等，設(shè)備投資大，脫硫劑需要間歇再生或更換，且硫容量相對(duì)較低[8]，且工業(yè)生產(chǎn)及城市污水處理廠產(chǎn)生的臭氣中含大量的水分，會(huì)大大降低干法去除臭氣的效率.相對(duì)比較，一些濕法，如電解法，生物處理[9]等更適合去除工業(yè)生產(chǎn)及城市污水處理廠產(chǎn)生的臭氣.

高鐵酸鹽是一種強(qiáng)氧化劑，在酸性條件下和堿性條件下，高鐵酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)分別為E0(FeO24-/Fe3+)=2.20 V，E0(FeO24-/Fe(OH)3)=0.72 V[10]，比常見(jiàn)氧化劑如高錳酸鉀、次氯酸、過(guò)氧化氫等都高，因此可以把難氧化的惡臭物質(zhì)氧化，且其還原產(chǎn)物為氫氧化鐵.氫氧化鐵具有絮凝沉降的作用，可以進(jìn)一步去除水中的污染物質(zhì).不僅如此，三價(jià)的鐵無(wú)害，在自然界中廣泛存在，不會(huì)對(duì)環(huán)境，人體造成二次污染，后續(xù)處理的成本費(fèi)用低，而且高鐵酸鹽能在幾秒至幾分鐘內(nèi)將有機(jī)硫化物[11]，無(wú)機(jī)硫化物[12]快速降解成無(wú)害的化合物.目前，有研究表明[13-14]，可以在強(qiáng)堿溶液中用電解法生成高鐵酸鹽，在線去除臭氣.在此過(guò)程中，有兩個(gè)過(guò)程：1)高鐵酸鹽的生成；2)高鐵酸鹽的消耗[13].這種在線去除臭氣的方法可以有效的解決高鐵酸鹽生成后易氧化被還原失效的現(xiàn)象，而且簡(jiǎn)化了高鐵酸鹽的運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程.因此高鐵酸鹽用于臭氣的徹底去除是一種有效的藥劑.此過(guò)程中，硫化氫，甲硫醇等臭味氣體先被堿溶液吸收，然后被電解合成的高鐵酸鹽快速氧化.實(shí)際上，化學(xué)氧化法已經(jīng)研究很多年，常見(jiàn)的氧化劑為過(guò)氧化氫，高錳酸鉀，次氯酸鹽，而高鐵酸鹽對(duì)臭氣的去除的研究并不多.因此，本研究旨在找到一種在強(qiáng)堿溶液中利用電解產(chǎn)生的高鐵酸鹽在線處理臭氣硫化氫的新方法.本實(shí)驗(yàn)的目的在于研究不同的堿溶液和不同堿溶液濃度對(duì)高鐵酸鹽去除臭氣效果的影響.

1 材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

電子萬(wàn)用爐(北京市永光明醫(yī)療儀器廠)；752型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普希通用儀器有限責(zé)任公司)；電子天平(北京丹佛儀器有限公司)；硫化氫檢測(cè)器；lzb-2F-6-60 mL，lzb-3F-100-1 000 mL玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)；恒電位儀.鄰菲啰啉；硫酸亞鐵銨；無(wú)水醋酸鈉鉻酸鉀；氯化鋇；無(wú)水硫酸鈉；鹽酸羥胺.

以上實(shí)驗(yàn)藥品均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1電解產(chǎn)生高鐵酸鹽

合成高鐵酸鹽的電解槽為有效容積150 mL的密封圓柱體，如裝置圖1，材料為有機(jī)玻璃.以有效表面積20 cm2的HT200的灰口鑄鐵為陽(yáng)極，同面積的鎳網(wǎng)為陰極，一定濃度的堿溶液為電解液.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制電流密度為4 mA/cm2，溫度為室溫.在電解前電極要進(jìn)行預(yù)處理，灰口鑄鐵用砂紙打磨去除氧化膜并增大比表面積，然后在稀HCl溶液中浸漬2 min，徹底去除氧化膜后蒸餾水沖洗使用，泡沫鎳用稀硫酸浸泡10 min后使用.

1.2.2硫化氫的去除

用空氣和硫化氫進(jìn)行配氣，控制硫化氫的體積百分含量為80×10-6，混合氣體的流速為600 mL/min通過(guò)底部曝氣頭進(jìn)入電解槽中，使氣泡與溶液接觸充分，并控制電流密度為4 mA/cm2，分別以不同濃度的NaOH，KOH溶液為電解液，測(cè)定電解150 min時(shí)溶液中剩余硫離子的含量.混合氣體進(jìn)入反應(yīng)裝置后，先被NaOH或KOH溶液吸收，再被電解產(chǎn)生的高鐵酸鹽氧化.進(jìn)出口的H2S被H2S檢測(cè)器檢測(cè).同時(shí)，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的各堿溶液不同濃度下不通電的對(duì)比試驗(yàn)，以檢測(cè)H2S被NaOH或KOH吸收以后，自然氧化的情況.

1.2.3高鐵酸鹽及硫化氫的分析方法

本實(shí)驗(yàn)中，高鐵酸鹽在堿溶液中的含量采用國(guó)標(biāo)法鄰菲啰啉分光光度法.氣體硫化氫在電解槽進(jìn)出口的濃度用分別用硫化氫檢測(cè)器在線檢測(cè)，反應(yīng)前后堿溶液中含硫離子的量采用國(guó)標(biāo)法亞甲基藍(lán)分光光度法.作為高鐵酸鹽氧化硫化氫的最終產(chǎn)物硫酸根離子在堿溶液中含量的測(cè)定采用國(guó)標(biāo)法鉻酸鋇分光光度法進(jìn)行測(cè)定.

a—?dú)怏w質(zhì)量流量計(jì)；b—空氣氣瓶；c—硫化氫氣瓶；d—緩沖瓶；e—曝氣頭 f—陽(yáng)極，灰口鑄鐵；g—陰極，鎳網(wǎng)；h—?dú)溲趸c溶液；i—恒溫水浴；j—?dú)溲趸c溶液圖1 裝置圖

2 結(jié)果及分析

在對(duì)比組(不通電)和實(shí)驗(yàn)組(通電)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，出口處H2S的體積分?jǐn)?shù)基本為0，說(shuō)明在本裝置中H2S 基本可以被NaOH，KOH溶液快速而完全的吸收，最后變?yōu)榱螂x子，但是硫離子的自然氧化率極低，如圖2.

在實(shí)驗(yàn)組中，在前30 min不通電只通入混合氣體，以便使NaOH，KOH兩種堿溶液中有一定濃度的硫離子.通電以后硫離子的含量明顯的下降，可以認(rèn)為是產(chǎn)生的高鐵酸鹽氧化了溶液中的硫離子，然后硫離子的含量有所升高，最終硫離子的氧化和吸收達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.雖然堿的濃度越高，產(chǎn)生的高鐵酸鹽越多，但是過(guò)多的OH-會(huì)降低高鐵酸鹽的氧化能力[14]，所以要選擇最優(yōu)的堿的濃度，使硫離子的氧化率較高，而高鐵酸鹽的氧化能力又很好.不同的堿溶液也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響.因此，分別以不同濃度的NaOH，KOH溶液為電解液，測(cè)定電解150 min時(shí)溶液中剩余硫離子的含量，結(jié)果如圖2.

圖2 不同濃度的堿溶液對(duì)硫化氫的影響

由圖2可以看出，當(dāng)堿溶液的濃度小于8 mol/L時(shí)，電解液為NaOH的實(shí)驗(yàn)組的H2S的去除率比電解液為KOH的實(shí)驗(yàn)組中H2S的去除率要高很多.當(dāng)堿溶液的濃度大于8 mol/L時(shí)，電解液為NaOH的實(shí)驗(yàn)組的H2S的去除率比電解液為KOH的實(shí)驗(yàn)組中H2S的去除率要略低.當(dāng)NaOH的濃度為7 mol/L時(shí)，H2S的去除率達(dá)到最高91.65%，當(dāng)KOH的濃度為8 mol/L時(shí)，H2S的去除率達(dá)到最大達(dá)80.36%.因此，不管從節(jié)約成本還是去除效果的角度，電解液都應(yīng)選擇NaOH.

在NaOH濃度為5～9 mol/L時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的硫離子去除的更多，為46.94%～91.65%，說(shuō)明此時(shí)硫離子的氧化率比在其他濃度的NaOH中更高.當(dāng)NaOH的濃度小于5 mol/L或大于9 mol/L時(shí)，溶液中硫離子的去除率較低，說(shuō)明在此濃度的NaOH溶液中，硫離子的氧化率比5～9 mol/L時(shí)低.當(dāng)NaOH的濃度為7 mol/L時(shí)，硫離子的去除率最高，可達(dá)到91.65%

3 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)方法產(chǎn)生高鐵酸鹽，在反應(yīng)器中，H2S先被堿溶液吸收，再被電解產(chǎn)生的高鐵酸鹽氧化去除.在常溫常壓下，電流密度為4 mA/cm2，一定濃度堿溶液的條件下，通入反應(yīng)器的H2S幾乎被堿溶液完全吸收，硫離子被新產(chǎn)生的高鐵酸鹽的氧化去除率也很高.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電解液為NaOH時(shí)，H2S的去除效率較好，當(dāng)NaOH的濃度為7 mol/L時(shí)，硫離子的去除率可達(dá)到91.65%.作為一種去除H2S的新方法，本實(shí)驗(yàn)有很大的學(xué)術(shù)研究意義及工程應(yīng)用價(jià)值.

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Effect of aqueous alkaline solution on reaction of ferrate removing hydrogen sulfide gas

JIANG Chun-pan, LIU Hui-ing, WANG Meng-meng

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The strong oxidizing ferrate is obtained by the method of electrolytic. The new producing ferrate was used to remove the hydrogen sulfide gas online. It is found that under the atmospheric pressure, the current density was 4 mA/cm2, and the initial H2S concentration of 80×10-6, KOH was better than NaOH. When the concentration of KOH was 8 mol/L sulfur ions removal rate can reach to 80.36%. However, when the concentration of NaOH was 7mol/L, sulfur ions removal rate can reach to 91.65%. What’s more, when the concentration of NaOH was 5～9 mol/L sulfur ions removal rate was 46.94% to 91.65%.

ferrate; hydrogen sulfide; NaOH; KOH

2014-08-27.

城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))自主項(xiàng)目(2014DX08)

姜春泮(1989-)，女，碩士，研究方向：氣體的污染與防治.

X701

A

1672-0946(2015)05-0543-03