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        雙金屬微電解預(yù)處理焦化廢水

        2014-03-21 06:26:42永,張尋,王娟,汪
        化學(xué)與生物工程 2014年5期
        關(guān)鍵詞:酚類(lèi)焦化沸石

        盧 永,張 尋,王 娟,汪 政

        (1.南京普信環(huán)??萍加邢薰荆K南京210018;2.德興市環(huán)境保護(hù)局,江西德興334200)

        微電解法是基于電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的原理,通過(guò)電化學(xué)、氧化還原、混凝、吸附、過(guò)濾等綜合作用來(lái)處理廢水。該法設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、適用范圍廣、易與其它方法聯(lián)合使用,可實(shí)現(xiàn)以廢治廢,是當(dāng)前難降解及有毒工業(yè)廢水最常用的預(yù)處理方法之一[1-3]。但傳統(tǒng)的Fe-C微電解板結(jié)溝流問(wèn)題限制了其大規(guī)模工業(yè)化,為解決該問(wèn)題、提高處理效果、拓寬適用pH值范圍,F(xiàn)e-Cu微電解及其與其它處理技術(shù)的聯(lián)合使用已被廣泛研究[4]。但是目前尚未見(jiàn)到系統(tǒng)地研究不同雙金屬體系及雙金屬微電解與其它處理技術(shù)聯(lián)合使用的報(bào)道。

        作者選擇焦化廢水[5-6]這一典型的難降解有毒工業(yè)廢水為研究對(duì)象,系統(tǒng)地比較了在廢水處理領(lǐng)域具有應(yīng)用前景的Fe-Ni、Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Sn、Fe-C、Al-Cu、Al-C等微電解體系,并研究了其中較佳體系與H2O2、活性炭、改性沸石、微波技術(shù)等聯(lián)合使用的效果,進(jìn)行了條件優(yōu)化,對(duì)焦化廢水的預(yù)處理效果進(jìn)行了GC-MS分析。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 材料與儀器

        實(shí)驗(yàn)用微電解金屬材料均為長(zhǎng)5~12mm、寬1.0~5.0mm塊狀,活性炭為Φ1mm×2mm柱狀。金屬材料先用5%NaOH溶液浸泡15min,再用蒸餾水沖洗2~3次,然后用5%H2SO4溶液浸泡15min,最后用蒸餾水洗凈,在氮?dú)鈼l件下烘干保存待用?;钚蕴拷?jīng)酸洗堿洗后用蒸餾水洗至中性,然后于100℃烘12h后密封保存于干燥皿中。

        溴化十六烷基三甲胺(CTMAB)改性沸石:根據(jù)文獻(xiàn)[7]制備。

        實(shí)驗(yàn)用廢水取自某鋼鐵公司焦化廠,廢水COD 3 336mg·L-1,酚118.25mg·L-1,BOD 767mg· L-1(B/C=0.23)。

        CP-3800/SATURN-2000型GC-MS儀,美國(guó)VARIAN公司。GC條件:CP-Sil 8CB-MS色譜柱(30 m×0.25mm,0.25μm);程序升溫:40℃恒溫2min,5℃·min-1升至280℃恒溫5min;進(jìn)樣量1μL;進(jìn)樣口溫度280℃;載氣(高純氦氣)流速1mL·min-1。MS條件:發(fā)射電流150eV,離子源溫度200℃,電離方式EI,電子能量70eV,質(zhì)量范圍45~465amu,倍增電壓2 000V。

        1.2 分析方法

        廢水經(jīng)濾紙和0.45μm醋酸纖維膜過(guò)濾后進(jìn)行分析。用重鉻酸鉀法(GB 11914-89)測(cè)定COD,用4-氨基安替吡啉分光光度法(GB 7490-87)測(cè)定酚,用稀釋與接種法(GB 7488-87)測(cè)定BOD。有機(jī)物經(jīng)CH2Cl2液-液萃取預(yù)處理后采用GC-MS測(cè)定:取500mL經(jīng)膜過(guò)濾的水樣(pH≈7)放入1L分液漏斗中,加入30mL CH2Cl2混合振動(dòng),靜置分層,再重復(fù)萃取2次。然后用10mol·L-1氫氧化鈉溶液調(diào)pH值大于11,以30mL CH2Cl2重復(fù)萃取3次,加1∶1硫酸調(diào)pH值小于2,以30mL CH2Cl2重復(fù)萃取3次。將中性、堿性、酸性條件下萃取后的有機(jī)相合并,加入無(wú)水硫酸鈉干燥,過(guò)濾并轉(zhuǎn)移到500mL KD濃縮儀中,濃縮至10mL,采用高純氮?dú)獯抵?mL。取1 μL進(jìn)行GC-MS分析。

        1.3 雙金屬微電解體系預(yù)處理焦化廢水

        采用搖床實(shí)驗(yàn)研究Fe-Ni、Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Sn、Fe-C、Al-Cu、Al-C等微電解體系對(duì)焦化廢水的預(yù)處理效果。實(shí)驗(yàn)溫度為20℃,pH值為3.0,反應(yīng)時(shí)間為60min,搖床轉(zhuǎn)速為120r·min-1,廢水量為200mL,反應(yīng)物料投加量見(jiàn)表1。出水pH值調(diào)至8.0后靜置15min,取上清液分析。選擇預(yù)處理效果較好的微電解體系進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

        表1 不同微電解體系反應(yīng)物料投加量Tab.1 The material amount of different microelectrolysis systems

        1.4 Fe-Cu微電解與其它方法聯(lián)用

        為進(jìn)一步提高處理效果,探索了預(yù)處理效果較好的Fe-Cu體系與其它幾種方法的聯(lián)合處理效果:

        (1)Fe-Cu:搖床實(shí)驗(yàn),溫度為20℃,pH=4.0,反應(yīng)時(shí)間為60min,搖床轉(zhuǎn)速為120r·min-1,廢水200 mL,F(xiàn)e 50g,Cu 10g。出水pH值調(diào)至8.0后靜置15 min,取上清液分析。

        (2)Fe-Cu+H2O2:H2O2(30%)20mL,其它條件同(1)。

        (3)Fe-Cu+活性炭:活性炭5g,其它條件同(1)。

        (4)Fe-Cu+改性沸石:改性沸石5g,其它條件同(1)。

        (5)微波強(qiáng)化Fe-Cu微電解:微波反應(yīng)器,微波功率500W,其它條件同(1)。

        1.5 Fe-Cu+改性沸石內(nèi)電解條件實(shí)驗(yàn)

        為了研究pH值、反應(yīng)時(shí)間、Fe/Cu質(zhì)量比、Fe/改性沸石質(zhì)量比對(duì)處理效果的影響,采用有機(jī)玻璃制成的動(dòng)態(tài)反應(yīng)塔進(jìn)行連續(xù)進(jìn)水動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),每次實(shí)驗(yàn)均采用新制備填料??刂?個(gè)微電解反應(yīng)條件[pH值 4.0,水力停留時(shí)間(HRT)45min,F(xiàn)e/Cu質(zhì)量比5∶1,F(xiàn)e/改性沸石質(zhì)量比10∶1]中的3個(gè)不變,改變其中1個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)定后每30min取樣分析1次,為減小誤差,取5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 微電解體系預(yù)處理焦化廢水效果(圖1、圖2)

        圖1 酸性條件下的COD和酚類(lèi)去除率與B/CFig.1 The removal rates of COD and phenol and B/C of different micro-electrolysis systems under acidic condition

        圖2 堿性條件下的COD和酚類(lèi)去除率與B/CFig.2 The removal rates of COD and phenol and B/C of different micro-electrolysis systems under alkaline condition

        從圖1可以看出,在酸性條件下,F(xiàn)e-Ni、Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Sn、Fe-C、Al-Cu、Al-C體系均可提高廢水的可生化性,出水B/C均在0.43以上,其中Fe-Cu微電解出水B/C最高,達(dá)0.54。COD和酚類(lèi)去除率在30%以上,F(xiàn)e-Cu體系COD和酚類(lèi)去除率分別為42.27%和36.47%,Al-Cu體系分別為41.79%和49.12%。

        從圖2可以看出,在堿性條件下,F(xiàn)e-Ni、Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Sn、Fe-C、Al-Cu、Al-C體系處理效果比酸性條件略差,出水B/C均在0.35以上,其中Fe-Cu和Al-Cu處理效果較佳,出水B/C分別為0.51和0.53,COD去除率為24.29%和32.14%,酚類(lèi)去除率為25.85%和19.58%。這些表明,F(xiàn)e-Cu和Al-Cu是較優(yōu)的預(yù)處理方法,但Al-Cu體系處理成本遠(yuǎn)高于Fe- Cu體系,而且對(duì)酚類(lèi)的去除效果不理想,所以選擇Fe-Cu體系進(jìn)行后續(xù)研究。

        2.2 Fe-Cu微電解與其它方法的聯(lián)用效果(圖3)

        圖3 不同微電解體系下的COD和酚類(lèi)去除率與B/CFig.3 The removal rates of COD and phenol and B/C of different micro-electrolysis systems

        從圖3可以看出,F(xiàn)e-Cu微電解與H2O2、活性炭、改性沸石、微波技術(shù)的聯(lián)合使用均可提高COD和酚類(lèi)去除率:與微波技術(shù)聯(lián)用時(shí)COD和酚類(lèi)去除率最高,分別為40.81%和45.30%;與改性沸石聯(lián)用時(shí),COD和酚類(lèi)去除率分別為39.47%和42.12%;與微波技術(shù)、H2O2聯(lián)用時(shí)出水B/C均較低,不利于后續(xù)生化處理。因此,F(xiàn)e-Cu微電解與改性沸石聯(lián)用是較適宜的焦化廢水預(yù)處理方法。

        2.3 Fe-Cu+改性沸石內(nèi)電解條件(圖4)

        從圖4a可以看出,F(xiàn)e/改性沸石質(zhì)量比為5∶0.50時(shí)效果最好,COD和酚類(lèi)去除率為37.29%和47.96%。從圖4b可以看出,F(xiàn)e/Cu質(zhì)量比為5∶1.25時(shí)效果最好,COD和酚類(lèi)去除率為34.91%和44.36%。從圖4c可以看出,F(xiàn)e-Cu與改性沸石聯(lián)用預(yù)處理焦化廢水在酸性和堿性條件下均有較好的處理效果,適用pH值范圍較寬,最高COD和酚類(lèi)去除率為43.99%和45.66%。從經(jīng)濟(jì)和操作性考慮,pH值為4.0較適宜。從圖4d可以看出,較適宜的HRT為60min。

        圖4 Fe/改性沸石質(zhì)量比(a)、Fe/Cu質(zhì)量比(b)、pH值(c)、HRT(d)對(duì)COD和酚類(lèi)去除率的影響Fig.4 Effects of mass ratio of Fe/modified zeolite(a),mass ratio of Fe/Cu(b),pH value(c)and HRT(d)on the removal rates of COD and phenol

        2.4 GC-MS分析

        為研究Fe-Cu微電解與改性沸石聯(lián)用預(yù)處理對(duì)有機(jī)物的去除效果,采用GC-MS對(duì)原水和最佳條件下預(yù)處理焦化廢水出水進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖5。

        分析圖5結(jié)果表明,焦化廢水中主要污染物為丙酸、甲基丙基醚、苯酚、對(duì)甲基苯酚、苯甲酸、吲哚、喹啉和二苯并呋喃-2-磺酸等38種有機(jī)物,其中酚類(lèi)物質(zhì)含量(根據(jù)峰面積計(jì)算)達(dá)60%以上。Fe-Cu微電解與改性沸石聯(lián)用預(yù)處理可完全去除其中21種主要有機(jī)物,出水可生化性高。

        圖5 原水(a)和預(yù)處理出水(b)的GC-MS總離子流色譜Fig.5 Total ion chromatograms of raw wastewater(a)and pretreated wastewater(b)

        3 結(jié)論

        (1)Fe-Ni、Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Sn、Fe-C、Al-Cu、Al-C微電解體系在酸性和堿性條件下均可提高焦化廢水的可生化性。Fe-Cu微電解體系效果最佳,COD和酚類(lèi)去除率分別為36.47%和42.27%,出水B/C高達(dá)0.54。

        (2)Fe-Cu微電解與H2O2、活性炭、改性沸石、微波技術(shù)聯(lián)用均可提高COD和酚類(lèi)去除率,與改性沸石聯(lián)用時(shí)效果最佳,出水B/C在0.53以上。

        (3)Fe-Cu微電解與改性沸石聯(lián)用最佳工藝條件為:Fe/改性沸石質(zhì)量比5∶0.50、Fe/Cu質(zhì)量比5∶1.25、pH值4.0、HRT 60min,此條件下COD和酚類(lèi)去除率分別為43.99%和47.96%。

        (4)GC-MS分析表明,焦化廢水中主要污染物為丙酸、甲基丙基醚、苯酚、對(duì)甲基苯酚、苯甲酸、吲哚、喹啉和二苯并呋喃-2-磺酸等38種有機(jī)物,F(xiàn)e-Cu微電解與改性沸石聯(lián)用預(yù)處理可完全去除其中21種主要有機(jī)物,出水可生化性高。

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