鐵炭微電解與過(guò)硫酸氫鉀聯(lián)用處理亞甲基藍(lán)廢水

孫 德 棟， 駱 丹， 孫 義 才， 王 佳 瑩， 何 強(qiáng)，董 曉 麗， 馬 春， 郝 軍， 張 新 欣

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

鐵炭微電解是在酸性條件下，利用鐵和炭形成無(wú)數(shù)微小原電池的電勢(shì)差與金屬的腐蝕原理處理污染物，具有以廢治廢、效果穩(wěn)定、填料對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[8]。但這種工藝也有不足，比如鐵屑表面容易鈍化，隨著處理時(shí)間的增加，鐵炭微電解的效率會(huì)逐漸降低等。

以鐵炭微電解為基礎(chǔ)也衍生了很多與其他方法聯(lián)用共同處理染料廢水的技術(shù)。鐵炭微電解中鐵作為陽(yáng)極發(fā)生了氧化反應(yīng)，有Fe2+產(chǎn)生。因此可以把鐵炭微電解與H2O2[9]或PDS[10]聯(lián)用，利用電解過(guò)程產(chǎn)生的Fe2+活化過(guò)氧化物產(chǎn)生自由基處理難降解有機(jī)物。本研究采用鐵炭微電解與PMS聯(lián)用以強(qiáng)化其處理難降解污染物，利用亞甲基藍(lán)(MB)作為目標(biāo)污染物來(lái)模擬偶氮染料廢水，鐵炭微電解與PMS聯(lián)用處理MB廢水的效果，探尋適宜的工藝條件。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑：亞甲基藍(lán)，分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；活性炭粉，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鐵粉、氫氧化鈉，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；過(guò)硫酸氫鉀，分析純，上海阿拉丁試劑有限公司。

儀器：紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，UV-1600，上海美譜達(dá)儀器有限公司；總有機(jī)碳分析儀，TNM-1，日本島津；酸度計(jì)，F(xiàn)E20，梅特勒-托利多(上海)有限公司；超聲波清洗機(jī)，SB-5200DT，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱(chēng)取適量鐵粉，研磨去掉其表面氧化膜。取100 mL已經(jīng)配制好的MB溶液，轉(zhuǎn)移至250 mL的燒杯中。室溫下調(diào)節(jié)電動(dòng)攪拌器至適當(dāng)?shù)乃俣?，將鐵粉、活性炭粉和過(guò)硫酸氫鉀加入溶液中并開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行取樣，過(guò)濾后的樣品分別用紫外分光光度計(jì)與總有機(jī)碳分析儀測(cè)量其吸光度與TOC值。

1.3 分析及計(jì)算方法

1.3.1 MB脫色率

用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量MB溶液吸光度。經(jīng)測(cè)量MB在664 nm處存在最大吸收峰，所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)MB的吸光度在664 nm處測(cè)量。

脫色率=(A0-A)/A0

(1)

式中：A0為MB初始濃度的吸光度，A為在t時(shí)刻取樣測(cè)得的吸光度。

1.3.2 TOC去除率

采用總有機(jī)碳分析儀對(duì)TOC進(jìn)行測(cè)定，TOC的測(cè)定方法采用TC-IC法，即TOC=TC-IC，TC為溶液的總碳，IC為溶液的無(wú)機(jī)碳。

TOC降解率=(TOC0-TOC)/TOC0

(2)

式中：TOC0為MB的初始TOC值，mg/L；TOC為MB在反應(yīng)終止時(shí)的TOC值，mg/L。

2 結(jié)果和討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)MB脫色率的影響

室溫條件下,鐵粉投加量為0.50 g/L，鐵炭比為1/1，PMS投加量為0.50 g/L，研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)MB脫色率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，脫色率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增大，前60 min脫色率增幅明顯，脫色率可達(dá)到66.4%。而在60～80 min，脫色率僅僅增加到67.8%，增加趨勢(shì)明顯趨緩，所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間選擇為60 min。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)脫色率的影響

2.2 鐵粉投加量對(duì)MB溶液脫色率的影響

圖2 Fe投加量對(duì)脫色率的影響

2.3 鐵炭比對(duì)MB脫色率的影響

圖3 鐵炭比對(duì)脫色率的影響

2.4 初始pH對(duì)MB脫色率的影響

圖4 初始pH對(duì)脫色率的影響

2.5 PMS投加量對(duì)MB脫色率的影響

圖5 PMS投加量對(duì)脫色率的影響

2.6 MB初始質(zhì)量濃度對(duì)降解率的影響

如圖6所示，隨著MB濃度的逐漸升高，其降解率逐漸下降。-ln (ρ/ρ0)對(duì)反應(yīng)時(shí)間的曲線圖表明，降解過(guò)程近似符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。由表1可知，當(dāng)初始質(zhì)量濃度從50 mg/L提高到150 mg/L，其反應(yīng)速率常數(shù)從0.060 min-1下降到0.022 min-1。體系中PMS的投加量和鐵炭微電解所產(chǎn)生的Fe2+量為定值，溶液中自由基含量相同，隨著MB濃度的提高，會(huì)產(chǎn)生較多的降解中間產(chǎn)物，加劇了自由基的消耗，因此反應(yīng)速率會(huì)降低。

圖6 MB初始質(zhì)量濃度對(duì)降解率的影響

表1 亞甲基藍(lán)準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)相關(guān)常數(shù)

2.7 亞甲基藍(lán)紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析

圖7為MB溶液降解過(guò)程中隨時(shí)間變化的紫外-可見(jiàn)光譜圖。從圖7可以看出，在664 nm處MB的特征吸收峰強(qiáng)度隨反應(yīng)時(shí)間逐漸降低，這說(shuō)明MB分子的結(jié)構(gòu)遭到了破壞，使得吸光度下降。從圖中可以看出反應(yīng)在10 min中以后亞甲基藍(lán)的特征吸收峰發(fā)生了藍(lán)移，造成這種現(xiàn)象的原因可能是亞甲基藍(lán)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生了其他的中間產(chǎn)物，從而導(dǎo)致了特征峰發(fā)生偏移[18]。

圖7 亞甲基藍(lán)的紫外-可見(jiàn)吸收光譜

在室溫、MB初始pH為3.0、鐵粉投加量為1.00 g/L、鐵炭比為1.5/1.0、PMS投加量為1.50 g/L、反應(yīng)時(shí)間為60 min的條件下，對(duì)鐵炭微電解、鐵炭微電解-PMS降解50 mg/L的MB進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，鐵炭微電解與PMS聯(lián)用時(shí)MB脫色率、TOC去除率均有顯著提高，分別為90.0%和65.7%。因此，PMS對(duì)于鐵炭微電解法具有明顯的加強(qiáng)作用。

圖8 2種方法對(duì)MB降解率與TOC去除率的比較

3 結(jié) 論

鐵炭微電解與PMS聯(lián)用降解MB廢水(50 mg/L)的適宜工藝條件為：鐵粉投加量1.00 g/L，鐵炭比1.5/1.0，PMS投加量1.50 g/L，pH為3，反應(yīng)時(shí)間60 min。

鐵炭微電解與PMS聯(lián)用降解MB廢水的效果比較顯著，在適宜條件下，MB的脫色率和TOC去除率分別達(dá)到90.0%和65.7%，與單獨(dú)鐵炭微電解相比分別增加了35.6%和30.3%。

鐵炭微電解與PMS聯(lián)用處理MB廢水降解動(dòng)力學(xué)近似符合一級(jí)反應(yīng)，MB為50 mg/L時(shí)，其線性方程為-ln (ρ/ρ0)=5.71×10-2t+0.295，R2=0.97，反應(yīng)速率常數(shù)為0.057 1 min-1。