鐵碳微電解處理廢水中的鎘/鋅/鉛

呂星浩

(湘西土家族苗族自治州環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000)

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鐵碳微電解處理廢水中的鎘/鋅/鉛

呂星浩

(湘西土家族苗族自治州環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000)

摘要：以電解鋅廠生產(chǎn)廢水為研究對(duì)象，用鑄鐵屑和活性炭的混合材料組成鐵碳微電解反應(yīng)器，考察了處理時(shí)間、pH值、溶解氧濃度、鐵碳加入量對(duì)廢水中鎘、鋅、鉛3種重金屬離子去除率的影響.結(jié)果表明，在進(jìn)水pH值3~5、廢水停留時(shí)間30 min、溶解氧5 mg/L、鐵碳添加量為50 g/L條件下，廢水中鎘、鋅、鉛3種重金屬離子的去除率分別為96.5%，91.1%，72.6%.

關(guān)鍵詞：鐵碳微電解；重金屬；廢水

重金屬?gòu)U水是指礦冶、機(jī)械制造、化工、電子、儀表等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出的含重金屬離子的廢水.電解鋅廢水中含有大量的鎘、鋅、鉛、鎳、汞等重金屬離子，對(duì)環(huán)境造成重大影響[1].目前，電解鋅廢水的處理主要有化學(xué)轉(zhuǎn)化法、介質(zhì)提取法、物理化學(xué)濃縮法等[2-5].在這些處理方法中，化學(xué)沉淀法處理成本高，處理效果不穩(wěn)定；吸附法中吸附劑使用壽命短，再生困難，操作費(fèi)用高；微生物法中活體絮凝劑保存困難，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等[6]：因此，開(kāi)發(fā)廉價(jià)、高效的重金屬?gòu)U水處理技術(shù)意義重大.微電解法是用鐵碳材料和活性炭或者焦炭組成鐵碳微電解反應(yīng)器，使重金屬離子通過(guò)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)和絮凝沉淀反應(yīng)達(dá)到去除重金屬離子污染的目的，具有適用范圍廣、壽命長(zhǎng)、成本低廉和操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于染料、印染、重金屬、電解電鍍廢水的處理[7-8].筆者對(duì)鐵碳微電解處理電解鋅廢水的工藝條件進(jìn)行研究，考察了停留時(shí)間、進(jìn)水pH值、鐵碳用量對(duì)廢水中Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除效果，研究結(jié)果能為鋅產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和電解鋅廢水污染治理提供依據(jù).

1材料和方法

1.1材料和儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑鐵碳材料使用以鑄鐵屑和活性炭為主要材料按照一定比例組合制作的直徑為10~20 mm的顆粒物.

實(shí)驗(yàn)用水樣取自某公司工業(yè)廢水，pH值為3.2，廢水中Cd2+質(zhì)量濃度為182.1 mg/L，Pb2+質(zhì)量濃度為132.3 mg/L，Zn2+質(zhì)量濃度為35 mg/L.NaOH：分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司.H2SO4：分析純，衡陽(yáng)市凱信化工試劑有限公司.

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器AA-6300C 石墨爐原子吸收分光光度計(jì)(P/N 206-52430)，島津儀器(蘇州)有限公司；小型增氧機(jī)(SL2800)，長(zhǎng)沙市魚(yú)樂(lè)漁具商行.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

圖1　鐵碳微電解實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的制作實(shí)驗(yàn)選用直徑80 mm、長(zhǎng)200 mm的柱狀玻璃容器作為微電解反應(yīng)器，底部設(shè)置有曝氣頭，鐵碳材料放置在反應(yīng)器內(nèi)，裝置如圖1所示.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法取水樣500 mL，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)節(jié)pH值，將所需的鐵碳材料投加到反應(yīng)器內(nèi)，曝氣.在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)取樣，靜置30 min，用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定反應(yīng)后的重金屬離子含量，按下式計(jì)算去除率：

其中：C1是廢水中金屬離子的初始質(zhì)量濃度，mg/L；C2是廢水處理后金屬離子的質(zhì)量濃度，mg/L.

2結(jié)果與討論

2.1 停留時(shí)間對(duì)重金屬去除效果的影響

圖2　停留時(shí)間對(duì)去除效果的影響

取水樣500mL，按1.2.2節(jié)方法添加鐵碳材料30g，不調(diào)節(jié)原始水樣pH值的條件下進(jìn)行反應(yīng).在不同時(shí)間段取樣檢測(cè)水樣中Cd2+，Pb2+，Zn2+的剩余量，從而計(jì)算去除率，所得結(jié)果如圖2所示.

從圖2可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，3種重金屬的去除率逐漸升高.Cd2+在反應(yīng)10 min后去除率能達(dá)到96.5%，Pb2+和Zn2+在反應(yīng)20，30 min后去除率也基本保持不變.3種重金屬離子在超過(guò)30 min后，去除率均無(wú)明顯增加，說(shuō)明30 min內(nèi)微電解反應(yīng)已基本完成.因?yàn)樵姵胤磻?yīng)速度較快，隨之產(chǎn)生的絮凝沉淀作用也可在短時(shí)間內(nèi)完成，所以取適宜的停留時(shí)間為30 min.

2.2 進(jìn)水pH值對(duì)重金屬去除效果的影響

圖3　進(jìn)水pH值對(duì)去除效果的影響

取水樣500 mL，按1.2.2節(jié)方法添加鐵碳材料30 g，在反應(yīng)30 min條件下，通過(guò)加酸和堿調(diào)節(jié)原始水樣的pH值，考察原水pH值對(duì)廢水中Cd2+，Pb2+，Zn2+去除率的影響，結(jié)果如圖3所示.

從圖3可以看出，pH值的變化對(duì)重金屬離子的去除有很大的影響.當(dāng)原始水樣pH值為3時(shí),Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率分別能達(dá)到96.5%，91.1%，72.5%.pH值過(guò)低或過(guò)高，重金屬離子去除效率都會(huì)有所減小.這是因?yàn)槲㈦娊庀到y(tǒng)在酸性充氧條件下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程為[9]：

當(dāng)廢水中存在金屬離子時(shí)，陰極還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

在強(qiáng)酸環(huán)境中，F(xiàn)e2+不易被氧化為Fe3+，使得Fe(OH)3絮凝劑的生成遇到阻礙.而pH值過(guò)高時(shí)，鐵失去電子能力會(huì)降低，不利于氧化還原反應(yīng)，使得去除率下降.根據(jù)圖3可知，pH值為3~5時(shí)，重金屬離子去除效果能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn).

2.3 溶解氧濃度對(duì)重金屬去除效果的影響

圖4　溶解氧對(duì)去除效果的影響

在5個(gè)盛有500 mL水樣的燒杯中分別進(jìn)行曝氣10，30，60，120 min，測(cè)量其溶解氧濃度，然后馬上將廢水加入微電解反應(yīng)器，在控制停留時(shí)間為30 min的條件下考察不同溶解氧濃度對(duì)重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖4所示.

從圖4可以看出，隨著溶解氧濃度的增加，Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率也逐漸增加；當(dāng)溶解氧大于5.3 mg/L時(shí)，Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率也趨于平穩(wěn).因?yàn)槲㈦娊夥磻?yīng)器發(fā)生原電池反應(yīng)，所以在有氧條件下，陰極將發(fā)生下列原電池反應(yīng)[10-11]：

O2+ 4H++4e→2H2O，φΘ(O2)=1.23 V；

O2+ 2H2O+ 4e→4OH-，φΘ(O2/OH-)=0.40 V.

反應(yīng)產(chǎn)生OH-，導(dǎo)致廢水呈堿性，強(qiáng)化了金屬離子的化學(xué)沉淀作用，因此隨著溶解氧的升高，導(dǎo)致金屬離子的去除率升高.考慮實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性，溶解氧控制在5 mg/L較適宜.

2.4 鐵碳總量對(duì)重金屬去除效果的影響

圖5　鐵碳總量對(duì)去除效果的影響

取水樣500 mL，分別添加鐵碳材料10，15，20，25，30，35 g，在控制停留時(shí)間為30 min的條件下考察鐵碳總量對(duì)重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖5所示.

從圖5可以看出，隨著鐵碳總量的增加，Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率也逐漸增加.當(dāng)添加量大于15 g時(shí)，Cd2+的去除率基本保持不變，而當(dāng)添加量大于25 g時(shí)，Pb2+和Zn2+的去除率也趨于平穩(wěn).考慮實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性，選擇添加量25 g最為適宜，也就是50 g/L.

隨著鐵碳總量的增加，反應(yīng)器中原電池活性位不斷增加，導(dǎo)致反應(yīng)更加劇烈，金屬離子去除率提高[12].但活性位增加到一定量后，已滿(mǎn)足了原電池反應(yīng)中金屬離子含量所需的化學(xué)平衡，去除率不再明顯提高.

2.5 最佳條件下的去除效果

為了考察單因素組合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果，按1.2.2節(jié)方法，在進(jìn)水pH值3~5，廢水停留時(shí)間30 min，溶解氧5 mg/L，鐵碳添加量50 g/L條件下做組合實(shí)驗(yàn)，平行實(shí)驗(yàn)5次，取平均值，結(jié)果見(jiàn)表1.從表1可以看出，用鐵碳微電解法處理電解鋅廢水，Cd2+和Pb2+的去除率分別可達(dá)96.5%和91.1%，Zn2+的去除率為72.6%.這是因?yàn)殂U、鎘、鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位分別為φΘ(Pb2+/Pb)=-0.126 V，φΘ(Cd2+/ Cd)=-0.403 V，φΘ(Zn2+/Zn)=-0.762 V，鋅的電極電位差最低,Zn2+被還原能力最差，所以去除率最低.

表1　最佳工藝條件組合實(shí)驗(yàn)的去除效果

3結(jié)論

(1)鐵碳微電解法在適宜的pH值范圍和適當(dāng)反應(yīng)時(shí)間條件下，可以處理多種重金屬離子，出水可以直接達(dá)標(biāo)排放.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)水pH值3~5，停留時(shí)間30 min，鐵碳添加量50 g/L，溶解氧5 mg/L的條件下，Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率分別為96.5%，91.1%，72.6%.

(2)鐵碳微電解工藝不用投加化學(xué)藥劑，具有適用范圍廣、壽命長(zhǎng)、成本低廉及操作維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，微電解裝置簡(jiǎn)單，易于定型，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作.

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭燕妮,方增坤,胡杰華,等.化學(xué)沉淀法處理含重金屬?gòu)U水的研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2011(12):9-13.

[2] 張默賀,葉正芳,趙泉林,等.鐵碳微電解預(yù)處理TNT紅水[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2012(9):3 115-3 120.

[3] KAMINARI N M S,SCHULTZ D R,PONTE M J J S,et al.Heavy Metals Recovery from Industrial Wastewater Using Taguchi Method[J].Chemical Engineering Journal,2007,126(2):139-146.

[4] ABDELAZIZ SMARA,RACHID DELIMI,ERIC CHAINET,et al.Removal of Heavy Metals from Diluted Mixtures by a Hybrid Ion￣Exchange/Electrodialysis Process[J].Separation and Purification Technology,2007,57(1):103-110.

[6] 渠榮遴,李德森,杜榮騫,等.低濃度含重金屬?gòu)U水的植物修復(fù)作用研究[J].現(xiàn)代儀器,2003(3):32-34.

[7] 李福德.微生物治理電鍍廢水方法[J].電鍍與精飾,2002(2):35-37.

[8] 程樹(shù)培,催益斌,楊柳燕.高絮凝性微生物育種生物技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展,1995，3(1):65-69.

[9] ALLAN C,VIEIRA DOS SANTOS,JORGE C.Evaluating the Removal of Cd(II),Pb(II) and Cu(II) from a Wastewater Sample of a Coating Industry by Adsorption onto Vermiculite[J].Applied Clay Science,2006,371:67-71.

[10] 劉維.鐵碳微電解處理難降解有機(jī)廢水的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2011.

[11] 邱珉.鐵碳微電解催化還原法處理銅冶煉廢水中重金屬離子的研究[D].昆明：昆明理工大學(xué),2009.

[12] 賴(lài)波,秦紅科,周岳溪,等.鐵碳微電解預(yù)處理ABS凝聚干燥工段廢水[J].環(huán)境科學(xué),2011,32(4):1 055-1 059.

(責(zé)任編輯向陽(yáng)潔)

Iron￣Carbon Micro￣Electrolysis Process to Remove Cd/Zn/Pb in Wastewater

Lü Xinghao

(Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture Environmental Protection Science

Research Institute,Jishou 416000,Hunan China)

Abstract：The wastewater from electrolysis￣Zn factory was studied,and was treated by iron￣carbon micro￣electrolysis reactor.The effects of time,pH value,DO and the dosage of iron￣carbon were investigated on the removing rate of Cd,Pb and Zn in the wastewater.The results show that the iron￣carbon micro￣electrolysis process can be effectively used for the treatment of heavy metal wastewater on the suitable conditions:pH value 3~5,staying reaction time 30 min,DO 5 mg/L and the dosage of iron￣carbon 50 g/L.On the best condition,the removal rates of Cd,Pb and Zn reached 96.5%,91.1%,72.6% respectively.

Key words：iron￣carbon micro￣electrolysis;heavy metal;wastewater

作者簡(jiǎn)介：呂星浩(1981—),男,吉林伊通人,湘西自治州環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所工程師，主要從事環(huán)境污染治理工程技術(shù)研究.

收稿日期：2014-10-13

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.016

文章編號(hào)：1007-2985(2015)03-0073-04