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        可見光分解-氯堿氧化法去除廢水中的鐵氰化物

        2014-10-12 03:01:12黃思遠孫賢波錢飛躍蔡佳駿
        化工環(huán)保 2014年4期
        關鍵詞:氰化物氯堿紫外光

        黃思遠,孫賢波,錢飛躍,蔡佳駿

        (1. 華東理工大學 資源與環(huán)境工程學院,上海 200237;2. 國家環(huán)境保護化工過程環(huán)境風險評價與控制重點實驗室,上海 200237;3. 蘇州科技學院 環(huán)境科學與工程學院,江蘇 蘇州 215011)

        焦化、電鍍、冶金和膠片等行業(yè)的廢水中通常都含有多種形態(tài)的氰化物,其中,鐵氰化物(Fe(CN)63-)穩(wěn)定性極高,一般很難被微生物所分解,也難以用普通化學氧化法去除,因而是生化或深度處理出水中總氰化物(TCN)的主要成分[1]。近年來,TCN的排放標準日益提高(GB 16171—2012)[2],目前迫切需要開發(fā)出針對Fe(CN)63-的新型水處理工藝。

        Fe(CN)63-用常規(guī)氯堿氧化法難以去除,破解其絡合形態(tài)已成為去除此類氰化物的技術關鍵。值得注意的是,F(xiàn)e(CN)63-在紫外光和可見光照射條件下易分解為 [Fe(CN)5H2O]2-,并最終轉(zhuǎn)化為CN-,這為廢水的進一步處理提供了可能[3-10]。Wada等[11-13]分別采用紫外光-臭氧、紫外光-二氧化鈦和紫外光-過氧化氫等技術處理含F(xiàn)e(CN)36-廢水,TCN質(zhì)量濃度均可降至0.2 mg/L以下;但紫外燈發(fā)光效率低、能耗高、壽命短、光程短,且處理效果極易受廢水色度和濁度的影響,不利于該技術的工程推廣應用。相比之下,可見光光源造價低、發(fā)光效率高[14],在水中的光程遠高于紫外線,有利于工程實施。

        本工作以含F(xiàn)e(CN)36-的模擬廢水為研究對象,考察了可見光分解(簡稱光解)Fe(CN)63-的影響因素,對比了常規(guī)氯堿氧化法與光解-氯堿氧化法對TCN的去除效果,為工程化應用打下理論基礎。

        1 實驗部分

        1.1 試劑、儀器和裝置

        鐵氰化鉀、抗壞血酸:分析純;次氯酸鈉:化學純。

        Essential CDL型節(jié)能燈:功率為23 W,Philips公司;BT224S 型電子天平:Sartorius公司;Seal-AA3型連續(xù)流動化學分析儀:德國SEAL公司;DR 5000型分光光度計:HACH公司;AQ2010型便攜式濁度儀:Thermo Orion公司;PB-10型pH計:Sartorius公司。

        LT-100型立式高低溫循環(huán)水槽:上海博訊實業(yè)公司;光解反應裝置:自制,玻璃材質(zhì),外徑100 mm、內(nèi)徑60 mm、高度130 mm,有效容積約650 mL。光解反應裝置見圖1。

        圖1 光解反應裝置

        1.2 實驗方法

        光解法去除Fe(CN)63-實驗:光源預熱5 min后,將650 mL不同初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度、不同初始廢水pH的模擬廢水加入光解反應器,并置于水浴恒溫槽內(nèi),待水溫達到25 ℃后開始光解反應。定時取樣并低溫(4 ℃)避光保存待測。

        光解-氯堿氧化法去除TCN實驗:在初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度6.7 mg/L、初始TCN質(zhì)量濃度4.90 mg/L的模擬廢水中加入次氯酸鈉,至模擬廢水中活性氯質(zhì)量濃度為50 mg/L,并調(diào)節(jié)pH至12,后續(xù)操作同光解法,定時取樣后在試樣中加入抗壞血酸以中止反應。

        1.3 分析方法

        TCN質(zhì)量濃度的測定采用異煙酸-巴比妥酸分光光度法[15]在連續(xù)流動化學分析儀上進行;CN-質(zhì)量濃度的測定采用異煙酸-吡唑啉酮分光光度法[15];Fe(CN)63-質(zhì)量濃度的測定采用光譜法[16];pH的測定采用pH計;濁度的測定采用濁度儀;余氯的測定采用鄰聯(lián)甲苯胺比色法[17]。

        2 結果與討論

        2.1 光解法去除Fe(CN)63-

        2.1.1 反應時間的影響

        在初始Fe(CN)36-質(zhì)量濃度6.7 mg/L、初始廢水pH 12的條件下,對模擬廢水進行光解實驗。反應時間對Fe(CN)36-去除效果的影響見圖2。

        圖2 反應時間對Fe(CN)63-去除效果的影響

        由圖2可見:隨反應時間的延長,F(xiàn)e(CN)63-質(zhì)量濃度逐漸降低,同時出現(xiàn)CN-的積累,而TCN質(zhì)量濃度基本保持不變;光解8.0 h后Fe(CN)63-質(zhì)量濃度僅為TCN質(zhì)量濃度的17%,F(xiàn)e(CN)36-的去除率為83%。該反應趨勢類似紫外光分解Fe(CN)36-的反應過程[3,10],即水溶液中的Fe(CN)63-經(jīng)光照射后形成[Fe(CN)5H2O]2-,因后者性質(zhì)不穩(wěn)定,最終解離為CN-。

        為研究光解法去除Fe(CN)63-的表觀動力學模型,以lnc(Fe(CN)63-)和反應時間(t)的關系做圖,由擬合直線的斜率可求出光解反應的表觀反應速率常數(shù)(k(Fe(CN)63-))。lnc(Fe(CN)36-)~t的線性關系見圖3。由圖3可見,數(shù)據(jù)點的線性關系良好,表明Fe(CN)36-的光解過程符合表觀一級動力學模型。計算得出,在本實驗條件下,k(Fe(CN)36-)= 0.252 h-1,t1/(2半衰期)=2.6 h。

        2.1.2 初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度的影響

        在初始廢水pH 12、反應時間6.0 h的條件下,光解法對Fe(CN)63-的去除效果及動力學參數(shù)見表1。由表1可見:當初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度為1.5 mg/L時,F(xiàn)e(CN)63-的光解效果最好,出水Fe(CN)63-質(zhì)量濃度為0.4 mg/L,F(xiàn)e(CN)63-去除率達73%;當初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度小于6.7 mg/L時,k(Fe(CN)63-)基本不變,約為0.26 h-1, 該實驗結果與Kuhn等[3]在紫外光下光解溶液中不同濃度亞鐵氰化鉀(ρ(TCN)< 0.4 mg/L)的實驗結果相似;而隨初始Fe(CN)36-質(zhì)量濃度的進一步增大(6.7~67.0 mg/L),k(Fe(CN)36-)隨初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度的增大而減?。浑S初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度的增大,溶液濁度也明顯增大。根據(jù)Fe(CN)63-的光解機理,鐵氰化鉀在堿性條件下光解后會產(chǎn)生氫氧化鐵沉淀[4,6],導致光解過程中光子利用率發(fā)生變化[18];另一方面,隨初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度的增大,光子數(shù)與Fe(CN)63-數(shù)量的比值越來越小,也使k(Fe(CN)63-)有所降低[18]。

        圖3 lnc(Fe(CN)36-)~t的線性關系

        表1 光解法對Fe(CN)63-的去除效果及動力學參數(shù)

        2.1.3 初始廢水pH的影響

        Gucek等[6]發(fā)現(xiàn)溶液pH對Fe(CN)36-在紫外光條件下的分解速率存在顯著影響,OH-或?qū)⒏淖僃e(CN)36-的分解途徑。在初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度6.7 mg/L的條件下,不同初始廢水pH時Fe(CN)63-的光解效果見圖4。由圖4可見:當初始廢水pH為7,10,12(即呈中性和堿性)時,pH的變化對Fe(CN)36-的分解和CN-的生成影響較小,光解6.0 h后Fe(CN)63-和CN-的質(zhì)量濃度分別約為1.4~1.7 mg/L和4.0~4.4 mg/L,但反應前后TCN質(zhì)量濃度幾乎不變;而當初始廢水pH為3時,光解5.5 h后Fe(CN)36-和CN-的質(zhì)量濃度分別為0.9 mg/L和3.3 mg/L,同時TCN質(zhì)量濃度下降明顯。

        實驗中還觀察到:模擬廢水在光解反應前呈亮黃色;在中性和堿性條件下反應后變?yōu)槲ⅫS色,且略渾濁;在酸性條件下反應后則呈淡藍色,且較澄清。

        在初始Fe(CN)63-質(zhì)量濃度6.7 mg/L的條件下,不同初始廢水pH時的k(Fe(CN)36-)見圖5。由圖5可見:中性和堿性條件下的k(Fe(CN)36-)變化不大,表明此時OH-濃度對Fe(CN)36-的光解影響較??;而初始廢水pH為3時,k(Fe(CN)63-)明顯增大。Fuller等[7]認為酸性條件下紫外光分解Fe(CN)3-6時,除Fe(CN)36-的水解外,有部分解離出的CN-及鐵離子生成普魯士藍,導致k(Fe(CN)63-)增大。本實驗結果與該推論相符。由于酸性條件下光解后產(chǎn)生劇毒且易揮發(fā)的HCN,故后續(xù)實驗選則初始廢水pH 為12。

        圖4 不同初始廢水pH時Fe(CN)63-的光解效果

        圖5 不同初始廢水pH時的k(Fe(CN)36-)

        2.2 光解-氯堿氧化法去除TCN

        在初始Fe(CN)36-質(zhì)量濃度6.7 mg/L、初始TCN質(zhì)量濃度4.90 mg/L、初始廢水pH 12的條件下,常規(guī)氯堿氧化法(a)和光解-氯堿氧化法(b)的TCN去除效果見圖6。由圖6可見:采用常規(guī)氯堿氧化法時TCN質(zhì)量濃度基本無變化,F(xiàn)e(CN)63-表現(xiàn)出很高的化學穩(wěn)定性;而采用光解-氯堿氧化法時TCN質(zhì)量濃度呈明顯下降趨勢,反應12.0 h后TCN質(zhì)量濃度降至0.14 mg/L,低于GB 16171—2012[2]的要求(0.2 mg/L),表明光解-氯堿氧化法對Fe(CN)63-模擬廢水中TCN的去除效果較好;在Fe(CN)63-模擬廢水的光解-氯堿氧化過程中,CN-質(zhì)量濃度均極低。推測TCN的去除機理為:Fe(CN)63-在可見光下光解破絡,解離出的CN-在次氯酸鈉作用下快速被氧化去除。

        圖6 常規(guī)氯堿氧化法(a)和光解-氯堿氧化法(b)的TCN去除效果

        計算得出,光解-氯堿氧化過程的k(Fe(CN)36-)為0.28 h-1,略大于光解過程的k(Fe(CN)36-)(見圖3和圖5),說明光解-氯堿氧化法對Fe(CN)63-模擬廢水中TCN去除過程的限速步驟為Fe(CN)63-的光解破絡過程。

        3 結論

        a)在可見光照射下,水中的Fe(CN)63-分解釋放出CN-。在初始Fe(CN)36-質(zhì)量濃度6.7 mg/L、初始廢水pH 12、反應時間8.0 h的條件下,F(xiàn)e(CN)36-的去除率為83%,該過程符合表觀一級動力學模型。

        b)光解-氯堿氧化法則對Fe(CN)63-模擬廢水具有良好的TCN去除效果。在初始Fe(CN)36-質(zhì)量濃度6.7 mg/L、初始TCN質(zhì)量濃度4.90 mg/L、初始廢水pH 12、反應時間12.0 h的條件下,光解-氯堿氧化處理后廢水的TCN質(zhì)量濃度降至0.14 mg/L,低于GB 16171—2012的要求(0.2 mg/L),該過程的限速步驟為Fe(CN)36-的光解破絡過程。

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