基于微電解法的高濃度有機(jī)化工廢水處理技術(shù)

韓文婧,王萌,劉蘇亭,賈玉玲

(濰坊職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 262737)

人類社會的工業(yè)發(fā)展與日常生活均離不開水資源,淡水資源則是水資源中與人類生活最緊密的一種。水資源在全球的時(shí)空分布極不均衡,我國的淡水資源人均占有量遠(yuǎn)低于國際平均水準(zhǔn),西北部地區(qū)的淡水資源又遠(yuǎn)低于東南沿海地區(qū)。工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的水資源污染又導(dǎo)致相當(dāng)一部分淡水資源被污染,很多地區(qū)都出現(xiàn)了無水可用的現(xiàn)象。水資源短缺已經(jīng)開始對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與日常生活造成影響,并與能源危機(jī)并列,成為新世紀(jì)面臨的主要問題[1]。經(jīng)大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),在被污染的水域中,工業(yè)污染占據(jù)絕大部分比例,尤其是有機(jī)廢水的排放日益增長,這類污染物會導(dǎo)致水域內(nèi)所有生物中毒甚至死亡。有機(jī)化工廢水通常具備成分復(fù)雜、難以處理等特點(diǎn),且色度大、異味大,會對生態(tài)平衡造成極大的影響。在處理有機(jī)化工廢水時(shí),可以采取微電解法。這是一種以有機(jī)廢水作為電解質(zhì),通過鐵和活性炭之間的電位差,構(gòu)造原電池電廠,并進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的一種廢水處理方法。通過微電解法,可以有效地降解廢水中的有機(jī)物,改變分子的發(fā)光基團(tuán),增強(qiáng)廢水的可用性?；谖㈦娊夥?設(shè)計(jì)了一種高濃度有機(jī)化工廢水處理方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試劑與儀器

本實(shí)驗(yàn)中使用的化學(xué)試劑如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用化學(xué)試劑

除上述化學(xué)試劑外,還需要一些實(shí)驗(yàn)儀器,如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

除上述大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備外,實(shí)驗(yàn)過程中還需要準(zhǔn)備若干玻璃儀器,如量筒、玻璃棒、膠頭滴管、燒杯等。

1.2 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理

在微電解法中,一般使用還原性較強(qiáng)的鐵與活性炭構(gòu)成原電池,在氧化還原反應(yīng)下,實(shí)現(xiàn)對有機(jī)化工廢水內(nèi)污染物的降解[2]。在此過程中,電極兩側(cè)的反應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置示意圖

如圖1所示,在電化學(xué)反應(yīng)中,陽極的電極反應(yīng)式主要為:

(1)

(2)

陰極的電極反應(yīng)式為:

(3)

在電場的作用下,原本的廢水中會排列大量的電荷,氧化還原反應(yīng)則會導(dǎo)致有機(jī)污染物被降解。在該裝置內(nèi),主要組成部分為曝氣裝置、氧化還原反應(yīng)器以及電解質(zhì)填料[3]。結(jié)合裝置內(nèi)的攪拌板,提高實(shí)驗(yàn)裝置的處理效果。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 配置有機(jī)化工廢水

在本實(shí)驗(yàn)中,選擇某含氮有機(jī)物作為有機(jī)化工廢水中的主要污染物,其分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 有機(jī)廢物分子結(jié)構(gòu)

圖2中的有機(jī)物存在易積蓄、不易降解等特點(diǎn),因此將其作為實(shí)驗(yàn)原料。準(zhǔn)確稱量0.1 g該有機(jī)廢物原料放入到燒杯中,在燒杯中添加100 mL蒸餾水,將其充分溶解[4]。然后將溶解后得到的溶液導(dǎo)入500 mL的容量瓶內(nèi)定容,即可得到500 mL的有機(jī)化工廢水。

1.3.2 制備電解質(zhì)填料

在制備電解質(zhì)的過程中,需要使用鐵粉、活性炭、膨潤土、碳酸氫鈉作為原料,其中鐵粉和活性炭是電解質(zhì)的主要材料,膨潤土為粘結(jié)劑,碳酸氫銨則是作為電解質(zhì)填料的造孔劑。將這些物質(zhì)按照一定的比例均勻混合,并在其中按照一定比例添加蒸餾水。電解質(zhì)填料的含水量需要在14%～16%之間,保證后續(xù)步驟不會因鍛造出現(xiàn)干燥開裂等現(xiàn)象。并將電解質(zhì)填料的直徑控制在10～12 mm之間,整體呈現(xiàn)出規(guī)整的原型[5]。電解質(zhì)填料需要首先放置在恒溫干燥箱內(nèi)烘干,溫度為80 ℃,時(shí)間為30 min。等到溫度自然降低至室溫,并將其繼續(xù)轉(zhuǎn)移到可編輯高溫爐中,高溫煅燒3 h,繼續(xù)等待自然冷卻。此時(shí)得到的物質(zhì)即為電解質(zhì)填料。

1.3.3 廢水檢測方法

使用單因素分析法,固定其他參數(shù),對某一個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以判斷最佳實(shí)驗(yàn)步驟。然后使用高效液相色譜儀,對剩余有機(jī)化工廢水中的有機(jī)物濃度進(jìn)行檢測。使用C18不銹鋼柱,在277 nm波長下,甲醇和乙酸的濃度為1∶1。在測定有機(jī)物的濃度時(shí),該有機(jī)物通過紫外-可見分光光度計(jì)可以在350～500 nm之間進(jìn)行分析,并確定最大吸收波長。需要確定其最大吸收波長,如圖3所示。

圖3 有機(jī)物紫外-可見吸收譜

通過吸收譜可知, 在波長為360 nm時(shí),該有機(jī)物存在一個(gè)較小的吸收光譜,在波長為450 nm,該有機(jī)物的吸收光達(dá)到峰值,因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中,選擇波長為450 nm的吸收光。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后,稱取一定質(zhì)量的有機(jī)化工廢水,測試溶液內(nèi)被測有機(jī)物的濃度,并將試驗(yàn)后有機(jī)物的濃度與實(shí)驗(yàn)前有機(jī)物的濃度進(jìn)行對比。

1.3.4 降解率計(jì)算

有機(jī)化工廢水的降解率判斷該微電解法對廢水的作用,其計(jì)算公式為:

(3)

式中,ηk表示有機(jī)化工廢水在一段時(shí)間后的降解率,單位為%;Cy表示有機(jī)化工廢水中被測有機(jī)物的初始濃度;Cyt表示一段時(shí)間后有機(jī)物的濃度。通過上述公式,可以得到本實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)下,高濃度有機(jī)化工廢水的處理效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵碳比對廢水處理效果的影響

在本實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)機(jī)制填料中,主要的組成結(jié)構(gòu)是鐵粉和活性炭。二者的比例需要保證在一定的界限之內(nèi),如果活性炭含量過低,則會降低原電池的電解作用,導(dǎo)致廢水處理效率低下,如果活性炭含量過高,則會反過來對電極產(chǎn)生負(fù)面作用,降低污染物的去除效果。因此需要判斷二者之間的比例,得到微電解作用最強(qiáng)的填料配比。在獲取最佳鐵碳比例的過程中,將鐵粉質(zhì)量與活性炭質(zhì)量分別設(shè)置為1∶1,2∶1,4∶1,6∶1,8∶1,10∶1,此時(shí)的膨潤土和碳酸氫鈉等其余物質(zhì)在電解質(zhì)填料中所占比例為40%,即三類物質(zhì)的質(zhì)量配比分別如表3所示。

表3 電解質(zhì)填料中各質(zhì)量配比

將上述6類電解質(zhì)填料分別放在反應(yīng)器皿中,向其中添加100 mL廢水,并在不同時(shí)段分別取樣,檢測該時(shí)段有機(jī)化工廢水內(nèi)化學(xué)物的剩余濃度,以此判斷電解質(zhì)填料內(nèi)鐵粉與活性炭的最佳比例。

如圖4所示,將電解質(zhì)填料與有機(jī)化工廢水放置在一起7 h后,廢水的處理效率達(dá)到最大值。當(dāng)鐵碳比為1∶1時(shí),廢水被降解的比例約為28%,當(dāng)鐵碳質(zhì)量比為2∶1時(shí),廢水被電解質(zhì)降解的比例約為31%,當(dāng)鐵碳質(zhì)量比為4∶1、時(shí),降解比例為35%,當(dāng)鐵碳質(zhì)量比分別為6∶1,8∶1,10∶1時(shí),其被電解質(zhì)填料降解的比例分別為50%,37%,45%。由此可見,當(dāng)其他因素確定時(shí),鐵碳質(zhì)量比為6∶1時(shí),微電解法對高濃度有機(jī)化工廢水的凈化比例最高,處理效果最好。

圖4 鐵碳質(zhì)量比對廢水處理效果的影響

2.2 其他填充物質(zhì)所占對廢水處理效果的影響

確定電解質(zhì)填料中的鐵碳質(zhì)量比為6∶1,且鐵粉和活性炭的質(zhì)量為30 g和5 g。分別設(shè)置膨潤土與碳酸氫鈉等其他填充物質(zhì)在電解質(zhì)填料中的比例為10%,20%,30%,40%,50%,60%,可得填料內(nèi)各物質(zhì)的質(zhì)量配比如表4所示。

表4 質(zhì)量配比

經(jīng)由上述填料內(nèi)物質(zhì)的配比,配置相應(yīng)的電解質(zhì)填料,并將其放置在反應(yīng)器皿中,并向其中添加100 mL廢水。7 h后,測試有機(jī)化工廢水的當(dāng)前濃度,計(jì)算該電解質(zhì)填料的降解比例。并判斷不同比例的此類物質(zhì)對廢水處理效果的影響。

如圖5所示,當(dāng)填充物在電解質(zhì)填料中的比例僅為10%時(shí),7 h后的有機(jī)物降解比例為46%,當(dāng)填充物的比例為20%時(shí),降解比例為49%,當(dāng)填充物比例為30%和60%時(shí),降解比例分別為51%和54%,當(dāng)填充物在電解質(zhì)填料中的比例為40%和50%時(shí),有機(jī)物的降解比例最高,為56%和57%。由此可見,在保證鐵碳質(zhì)量比為6∶1的基礎(chǔ)上,需要將填充物質(zhì)的比例設(shè)置在40%～50%之間,才能使實(shí)驗(yàn)中有機(jī)化工廢水的降解比例達(dá)到最大,使廢水的處理效果最好。

圖5 其他填充物質(zhì)在電解質(zhì)填料中的質(zhì)量比例對廢水處理效果的影響

2.3 高溫爐煅燒溫度對廢水處理效果的影響

令電解質(zhì)填料中的鐵碳質(zhì)量比為6∶1,填充物質(zhì)的比例為45%,探究可編輯高溫爐的煅燒溫度對廢水處理效果的影響。分別設(shè)置可編輯高溫爐的煅燒溫度分別為150,200,250,300,350,400 ℃,并測試以上6個(gè)變量對廢水處理效果的影響。

如圖6所示,六個(gè)條件下的有機(jī)廢水均能在7 h內(nèi)達(dá)到最大降解比例。當(dāng)高溫爐煅燒溫度為150 ℃時(shí),有機(jī)物的降解比例為16%,當(dāng)溫度為200 ℃時(shí),降解比例為24%,當(dāng)煅燒溫度為250 ℃和400 ℃時(shí),降解比例分別為35%和42%,當(dāng)高溫爐的煅燒溫度為350 ℃時(shí),有機(jī)物的降解比例為5%。只有將高溫爐的溫度設(shè)置為300 ℃,實(shí)驗(yàn)的廢水處理效果才能達(dá)到最大,約為56%。

圖6 高溫爐溫度對廢水處理效果的影響

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于微電解法的高濃度有機(jī)化工廢水處理方法,對其電解質(zhì)基團(tuán)組成成分與比例,以及實(shí)驗(yàn)煅燒溫度進(jìn)行探究,得到最佳的實(shí)驗(yàn)條件。通過上述廢水處理方法,可以對該有機(jī)化合物污染水域進(jìn)行污染處理,降低水中的有機(jī)物含量,在工程應(yīng)用中具備較好的前景。在下一步的研究中,可以對其他有機(jī)物污染下的水體凈化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證,并對不同陰極材料進(jìn)行系統(tǒng)化的測試。