呂星浩

(湘西土家族苗族自治州環(huán)境保護科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000)

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鐵碳微電解處理廢水中的鎘/鋅/鉛

呂星浩

(湘西土家族苗族自治州環(huán)境保護科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000)

摘要：以電解鋅廠生產(chǎn)廢水為研究對象，用鑄鐵屑和活性炭的混合材料組成鐵碳微電解反應(yīng)器，考察了處理時間、pH值、溶解氧濃度、鐵碳加入量對廢水中鎘、鋅、鉛3種重金屬離子去除率的影響.結(jié)果表明，在進水pH值3~5、廢水停留時間30 min、溶解氧5 mg/L、鐵碳添加量為50 g/L條件下，廢水中鎘、鋅、鉛3種重金屬離子的去除率分別為96.5%，91.1%，72.6%.

關(guān)鍵詞：鐵碳微電解；重金屬；廢水

重金屬廢水是指礦冶、機械制造、化工、電子、儀表等工業(yè)生產(chǎn)過程中排出的含重金屬離子的廢水.電解鋅廢水中含有大量的鎘、鋅、鉛、鎳、汞等重金屬離子，對環(huán)境造成重大影響[1].目前，電解鋅廢水的處理主要有化學(xué)轉(zhuǎn)化法、介質(zhì)提取法、物理化學(xué)濃縮法等[2-5].在這些處理方法中，化學(xué)沉淀法處理成本高，處理效果不穩(wěn)定；吸附法中吸附劑使用壽命短，再生困難，操作費用高；微生物法中活體絮凝劑保存困難，難以實現(xiàn)工業(yè)化等[6]：因此，開發(fā)廉價、高效的重金屬廢水處理技術(shù)意義重大.微電解法是用鐵碳材料和活性炭或者焦炭組成鐵碳微電解反應(yīng)器，使重金屬離子通過電化學(xué)氧化還原反應(yīng)和絮凝沉淀反應(yīng)達到去除重金屬離子污染的目的，具有適用范圍廣、壽命長、成本低廉和操作維護方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于染料、印染、重金屬、電解電鍍廢水的處理[7-8].筆者對鐵碳微電解處理電解鋅廢水的工藝條件進行研究，考察了停留時間、進水pH值、鐵碳用量對廢水中Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除效果，研究結(jié)果能為鋅產(chǎn)品開發(fā)和電解鋅廢水污染治理提供依據(jù).

1材料和方法

1.1材料和儀器

1.1.1 實驗材料與試劑鐵碳材料使用以鑄鐵屑和活性炭為主要材料按照一定比例組合制作的直徑為10~20 mm的顆粒物.

實驗用水樣取自某公司工業(yè)廢水，pH值為3.2，廢水中Cd2+質(zhì)量濃度為182.1 mg/L，Pb2+質(zhì)量濃度為132.3 mg/L，Zn2+質(zhì)量濃度為35 mg/L.NaOH：分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司.H2SO4：分析純，衡陽市凱信化工試劑有限公司.

1.1.2 實驗儀器AA-6300C 石墨爐原子吸收分光光度計(P/N 206-52430)，島津儀器(蘇州)有限公司；小型增氧機(SL2800)，長沙市魚樂漁具商行.

1.2 實驗裝置與方法

圖1　鐵碳微電解實驗裝置

1.2.1 實驗裝置的制作實驗選用直徑80 mm、長200 mm的柱狀玻璃容器作為微電解反應(yīng)器，底部設(shè)置有曝氣頭，鐵碳材料放置在反應(yīng)器內(nèi)，裝置如圖1所示.

1.2.2 實驗方法取水樣500 mL，根據(jù)實驗需求調(diào)節(jié)pH值，將所需的鐵碳材料投加到反應(yīng)器內(nèi)，曝氣.在規(guī)定的時間內(nèi)取樣，靜置30 min，用石墨爐原子吸收分光光度計測定反應(yīng)后的重金屬離子含量，按下式計算去除率：

其中：C1是廢水中金屬離子的初始質(zhì)量濃度，mg/L；C2是廢水處理后金屬離子的質(zhì)量濃度，mg/L.

2結(jié)果與討論

2.1 停留時間對重金屬去除效果的影響

圖2　停留時間對去除效果的影響

取水樣500mL，按1.2.2節(jié)方法添加鐵碳材料30g，不調(diào)節(jié)原始水樣pH值的條件下進行反應(yīng).在不同時間段取樣檢測水樣中Cd2+，Pb2+，Zn2+的剩余量，從而計算去除率，所得結(jié)果如圖2所示.

從圖2可以看出，隨著反應(yīng)時間的增加，3種重金屬的去除率逐漸升高.Cd2+在反應(yīng)10 min后去除率能達到96.5%，Pb2+和Zn2+在反應(yīng)20，30 min后去除率也基本保持不變.3種重金屬離子在超過30 min后，去除率均無明顯增加，說明30 min內(nèi)微電解反應(yīng)已基本完成.因為原電池反應(yīng)速度較快，隨之產(chǎn)生的絮凝沉淀作用也可在短時間內(nèi)完成，所以取適宜的停留時間為30 min.

2.2 進水pH值對重金屬去除效果的影響

圖3　進水pH值對去除效果的影響

取水樣500 mL，按1.2.2節(jié)方法添加鐵碳材料30 g，在反應(yīng)30 min條件下，通過加酸和堿調(diào)節(jié)原始水樣的pH值，考察原水pH值對廢水中Cd2+，Pb2+，Zn2+去除率的影響，結(jié)果如圖3所示.

從圖3可以看出，pH值的變化對重金屬離子的去除有很大的影響.當(dāng)原始水樣pH值為3時,Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率分別能達到96.5%，91.1%，72.5%.pH值過低或過高，重金屬離子去除效率都會有所減小.這是因為微電解系統(tǒng)在酸性充氧條件下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)過程為[9]：

當(dāng)廢水中存在金屬離子時，陰極還會發(fā)生如下反應(yīng)：

在強酸環(huán)境中，F(xiàn)e2+不易被氧化為Fe3+，使得Fe(OH)3絮凝劑的生成遇到阻礙.而pH值過高時，鐵失去電子能力會降低，不利于氧化還原反應(yīng)，使得去除率下降.根據(jù)圖3可知，pH值為3~5時，重金屬離子去除效果能夠達到排放標(biāo)準(zhǔn).

2.3 溶解氧濃度對重金屬去除效果的影響

圖4　溶解氧對去除效果的影響

在5個盛有500 mL水樣的燒杯中分別進行曝氣10，30，60，120 min，測量其溶解氧濃度，然后馬上將廢水加入微電解反應(yīng)器，在控制停留時間為30 min的條件下考察不同溶解氧濃度對重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖4所示.

從圖4可以看出，隨著溶解氧濃度的增加，Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率也逐漸增加；當(dāng)溶解氧大于5.3 mg/L時，Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率也趨于平穩(wěn).因為微電解反應(yīng)器發(fā)生原電池反應(yīng)，所以在有氧條件下，陰極將發(fā)生下列原電池反應(yīng)[10-11]：

O2+ 4H++4e→2H2O，φΘ(O2)=1.23 V；

O2+ 2H2O+ 4e→4OH-，φΘ(O2/OH-)=0.40 V.

反應(yīng)產(chǎn)生OH-，導(dǎo)致廢水呈堿性，強化了金屬離子的化學(xué)沉淀作用，因此隨著溶解氧的升高，導(dǎo)致金屬離子的去除率升高.考慮實際應(yīng)用過程中的經(jīng)濟性，溶解氧控制在5 mg/L較適宜.

2.4 鐵碳總量對重金屬去除效果的影響

圖5　鐵碳總量對去除效果的影響

取水樣500 mL，分別添加鐵碳材料10，15，20，25，30，35 g，在控制停留時間為30 min的條件下考察鐵碳總量對重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖5所示.

從圖5可以看出，隨著鐵碳總量的增加，Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率也逐漸增加.當(dāng)添加量大于15 g時，Cd2+的去除率基本保持不變，而當(dāng)添加量大于25 g時，Pb2+和Zn2+的去除率也趨于平穩(wěn).考慮實際應(yīng)用過程中的經(jīng)濟性，選擇添加量25 g最為適宜，也就是50 g/L.

隨著鐵碳總量的增加，反應(yīng)器中原電池活性位不斷增加，導(dǎo)致反應(yīng)更加劇烈，金屬離子去除率提高[12].但活性位增加到一定量后，已滿足了原電池反應(yīng)中金屬離子含量所需的化學(xué)平衡，去除率不再明顯提高.

2.5 最佳條件下的去除效果

為了考察單因素組合實驗的實驗效果，按1.2.2節(jié)方法，在進水pH值3~5，廢水停留時間30 min，溶解氧5 mg/L，鐵碳添加量50 g/L條件下做組合實驗，平行實驗5次，取平均值，結(jié)果見表1.從表1可以看出，用鐵碳微電解法處理電解鋅廢水，Cd2+和Pb2+的去除率分別可達96.5%和91.1%，Zn2+的去除率為72.6%.這是因為鉛、鎘、鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位分別為φΘ(Pb2+/Pb)=-0.126 V，φΘ(Cd2+/ Cd)=-0.403 V，φΘ(Zn2+/Zn)=-0.762 V，鋅的電極電位差最低,Zn2+被還原能力最差，所以去除率最低.

表1　最佳工藝條件組合實驗的去除效果

3結(jié)論

(1)鐵碳微電解法在適宜的pH值范圍和適當(dāng)反應(yīng)時間條件下，可以處理多種重金屬離子，出水可以直接達標(biāo)排放.實驗結(jié)果表明，在進水pH值3~5，停留時間30 min，鐵碳添加量50 g/L，溶解氧5 mg/L的條件下，Cd2+，Pb2+，Zn2+的去除率分別為96.5%，91.1%，72.6%.

(2)鐵碳微電解工藝不用投加化學(xué)藥劑，具有適用范圍廣、壽命長、成本低廉及操作維護方便的優(yōu)點，微電解裝置簡單，易于定型，可實現(xiàn)自動化操作.

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(責(zé)任編輯向陽潔)

Iron￣Carbon Micro￣Electrolysis Process to Remove Cd/Zn/Pb in Wastewater

Lü Xinghao

(Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture Environmental Protection Science

Research Institute,Jishou 416000,Hunan China)

Abstract：The wastewater from electrolysis￣Zn factory was studied,and was treated by iron￣carbon micro￣electrolysis reactor.The effects of time,pH value,DO and the dosage of iron￣carbon were investigated on the removing rate of Cd,Pb and Zn in the wastewater.The results show that the iron￣carbon micro￣electrolysis process can be effectively used for the treatment of heavy metal wastewater on the suitable conditions:pH value 3~5,staying reaction time 30 min,DO 5 mg/L and the dosage of iron￣carbon 50 g/L.On the best condition,the removal rates of Cd,Pb and Zn reached 96.5%,91.1%,72.6% respectively.

Key words：iron￣carbon micro￣electrolysis;heavy metal;wastewater

作者簡介：呂星浩(1981—),男,吉林伊通人,湘西自治州環(huán)境保護科學(xué)研究所工程師，主要從事環(huán)境污染治理工程技術(shù)研究.

收稿日期：2014-10-13

中圖分類號：X703.1

文獻標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.016

文章編號：1007-2985(2015)03-0073-04