李天鵬，高超,劉永霞

(棗莊學(xué)院 城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

鐵碳微電解技術(shù)(Iron Carbon Microelectrolysis Technology, ICMT)是將兩種具有不同電極電位的金屬或金屬與非金屬直接接觸在一起，浸泡在傳導(dǎo)性的電解質(zhì)溶液中，利用填充在廢水中的微電解材料自身產(chǎn)生電位差對廢水進(jìn)行氧化處理，發(fā)生電池效應(yīng)而形成無數(shù)微小的腐燭原電池，以達(dá)到降解并去除污染物的目的[1-3].ICMT的基本原理是鐵屑受到電化學(xué)腐蝕作用變成Fe2+進(jìn)入溶液.由于Fe2+具有混凝作用，與污染物中帶微弱負(fù)電荷的微粒異性相吸，形成比較穩(wěn)定的絮凝物(也叫鐵泥)而去除[4,5].總之，ICMT是絮凝、吸附等多種作用綜合效應(yīng)的結(jié)果，使常態(tài)下難以進(jìn)行的反應(yīng)得以實現(xiàn)，從而可以起到處理廢水的作用[6].

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

UV 5500型紫外可見光光度計(上海元析儀器有限公司)、DHG-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(常州普天儀器制造有限公司)、90-2型恒溫磁力攪拌器(常州兆圣實驗設(shè)備制造有限公司)、15T/H實驗室超純水系統(tǒng)(蘇州市嘉州精華設(shè)別有限公司).

亞甲基藍(lán)染料(Methylene Blue，MB)購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；NaOH和HCl分別購買于天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司和萊陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠；鐵屑取自山東省棗莊市市中區(qū)盛北金屬收購廠；柱狀活性炭購自河南省鞏義市露豐處理填料有限公司.

1.2 實驗步驟

準(zhǔn)確稱取0.50 g MB染料，于1000ml容量瓶中，先加少量蒸餾水充分溶解后，在用蒸餾水定容至刻度，搖勻后即為500 ml/L的MB標(biāo)準(zhǔn)儲備液.采用稀釋倍數(shù)法，配制不同濃度的MB標(biāo)準(zhǔn)使用液.

移取已配制的MB廢水于燒杯中，調(diào)節(jié)初始pH值、添加鐵屑和活性炭，然后于恒溫磁力攪拌器上，攪拌一定的時間后，測量處理出水中MB的含量.

1.3 計算方法

(1)繪制MB標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別移取0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、10.0、16.0和20.0 mL的50 mg/L MB標(biāo)準(zhǔn)使用液置于編號為1、2、3、4、5、6、7、8號100 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，充分搖勻，這時MB的濃度分別為0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、8.0和10 mg/L.

在λ=665nm條件下，測定MB的吸光度.以MB濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，采用Excel軟件進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖1所示，擬合的線性方程如式(1)所示.

圖1 MB標(biāo)準(zhǔn)曲線

y=0.1858x+0.0458，R2=0.9970

(1)

由圖1和式(1)可得，本實驗所得到的MB標(biāo)準(zhǔn)曲線呈良好線性關(guān)系(R2= 0.9970)，符合本試驗的使用標(biāo)準(zhǔn)，可用于相關(guān)數(shù)據(jù)的處理.

(2)去除率的計算

MB的去除率由公式(2)計算得到.

(2)

其中：C0—MB初始濃度；

Ct一反應(yīng)t時刻時的MB濃度.

2 結(jié)果與討論

本試驗以MB的去除率為主要衡量指標(biāo)，通過考察初始pH值、初始濃度、鐵碳比、反應(yīng)時間及反應(yīng)溫度等因素對水體中MB的去除效果，評價ICMT對MB染料廢水的處理效果.

2.1 初始pH對去除率的影響

圖2 初始pH值對MB去除率的影響

由圖2可知，當(dāng)pH<4時，MB的去除率隨pH升高而升高,這是由于在酸性條件下，鐵碳原電池電位差大，容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在電極上發(fā)生的氧化還原、電沉積、吸附作用能充分進(jìn)行，而酸性過強，破壞了以Fe2+為膠凝中心的絮凝體的形成，且耗電量大，影響處理效果[7].

當(dāng)pH>4時，MB的去除率隨pH降低而降低，原因是酸性過弱，參加原電池反應(yīng)的氫離子數(shù)目不足，F(xiàn)e被氧化為Fe2+的效果不好，影響微電解反應(yīng)進(jìn)行.

當(dāng)pH=4時，MB的去除率最高，為96.70%，表明該條件下ICMT對MB有較理想的處理效果.因此，本實驗初始pH值為4.0.

2.2 初始濃度對去除率的影響

圖3 初始濃度對水體中MB去除率的影響

由圖3可得，隨著MB初始濃度的增加，其去除率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，原因就在于濃度的增加給物質(zhì)的傳輸提供了動力，使得深入填料內(nèi)部的微電解反應(yīng)增多.但隨著濃度的進(jìn)一步增加，MB的污染負(fù)荷超過了微電解填料的處理能力，去除率的提升逐漸減緩甚至出現(xiàn)下降的趨勢[8].

故在MB降解過程中，需要同時考慮去除率與反應(yīng)效率，根據(jù)MB的濃度選擇合適的鐵碳投加量，保證有效的去除效果與材料利用率.因此，在有較好的處理效果及能充分的利用鐵碳的前提下，選擇MB廢水的初始濃度為100 mg/L.

2.3 鐵碳比值對去除率的影響

圖4 鐵碳質(zhì)量比MB去除率的影響

根據(jù)圖4可知，在鐵碳比為1.5:1時MB的去除率為88%，0.5:1時為75%，大于1.5:1時反而下降.這是因為鐵屑和活性碳與MB溶液在經(jīng)過充分?jǐn)嚢柽M(jìn)行反應(yīng)時，鐵粉和活性炭在電解質(zhì)溶液中形成大量的微型原電池，這些原電池的數(shù)量會影響鐵碳微電解反應(yīng)的處理效果.

在鐵碳比為1.5:1之前時，隨著鐵屑投加量的增加而增加，主要原因是鑄鐵屑中含有大量的炭元素，當(dāng)浸于傳導(dǎo)性較好的水體中時，由于鐵元素與炭元素間存在明顯的氧化還原電勢差，從而形成了許多微觀原電池，且微觀原電池的數(shù)量隨鐵屑投加量的增加而增大，因而去除率隨鐵屑投加量的增加而增大.

當(dāng)鐵碳比過大時，一方面使液體粘度增大，不利于質(zhì)量傳遞；另一方面溶液中 Fe2+的含量不斷增多，其水解產(chǎn)物 Fe(OH)2持續(xù)產(chǎn)生并覆蓋于鐵屑表面, 使原電池化學(xué)作用減弱，從而導(dǎo)致去除率也下降[9].綜合考慮，最后確定ICMT降解水體中MB染料的最佳鐵碳質(zhì)量比為1.5：1.

2.4 反應(yīng)時間對去除率的影響

圖5 反應(yīng)時間對MB去除率的影響

由圖5可知，去除率隨著反應(yīng)時間的增加先增加較快，反應(yīng)時間到60min后增長較小，基本趨于穩(wěn)定.因為60min前活性炭對染料的吸附作用導(dǎo)致去除率增高.

出現(xiàn)這種變化趨勢的可能原因是微電解反應(yīng)產(chǎn)物Fe2+、[H]等較多且具有較高的反應(yīng)活性，可與MB分子發(fā)生充分的還原反應(yīng)，將MB的大分子基團(tuán)降解為小分子物質(zhì)，進(jìn)而去除率降低；60min后染料的的去除率變化很小，趨于穩(wěn)定，表明反應(yīng)已基本處于平衡狀態(tài)，從能耗上考慮，最佳反應(yīng)時間60min[10].

2.5反應(yīng)溫度對去除率的影響

圖6 反應(yīng)溫度對MB去除率的影響

從圖6中可以看出，反應(yīng)溫度對微電解過程具有一定的影響.MB的去除率隨反應(yīng)溫度的升高略有升高，這是因為反應(yīng)溫度使水體中的MB分子運動速度加快，從而加快微電解進(jìn)行的速度，提高了微電解的反應(yīng)速率.

從圖6還可以看出，MB去除率隨反應(yīng)溫度的變化幅度相對較小，活性碳的吸附與脫附的平衡變化不太大，所以在一定范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度對ICMT處理MB染料廢水的效果影響不是很大，一般在室溫(30oC)下即可進(jìn)行[11].

2.6 機(jī)理分析

ICMT，即利用鐵和碳之間的電極電位差在電解質(zhì)溶液中形成微原電池，基于原電池的氧化還原原理對水中污染物進(jìn)行降解[12].

原電池反應(yīng)式如下：

陽極( Fe) : Fe-2e-→Fe2 +(3)

陰極( C) : 2H++ 2e-→2H+→H2(4)

生成的Fe2+和[H]具有較強的活性，能與MB原液中難降解的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，通過各種作用破壞了MB的共輾基團(tuán)結(jié)構(gòu)而使其脫色，使染料結(jié)構(gòu)式中的有色基團(tuán)發(fā)生開環(huán)降解，使染料發(fā)生徹底降解.

3 小結(jié)

(1) ICMT對水體中的MB有較好的處理效果，在初始pH為4、鐵碳比為1.5:1 (鐵屑最佳投加量為3 g)、作用時間為60 min、30oC (室溫)時，MB的去除率高達(dá)89%.

(2) ICMT作為一種高效、環(huán)保的廢水處理方法，具有無需添加劑，設(shè)備體積小，占地面積小，操作靈活，適用范圍廣、處理效果好、運行成本低等優(yōu)點，能有效地處理色度大、有機(jī)物難降解的染料廢水，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.