張燕?劉大偉 陳瑤 甘琦 于洋

摘 要 微電解技術(shù)是在沒(méi)有通電的情況下，利用鐵碳等微電解材料在廢水中形成閉合回路，以此產(chǎn)生電位差來(lái)處理廢水，降解有機(jī)污染物，從而達(dá)到環(huán)保的目的。目前，微電解已經(jīng)在我國(guó)的化工、制藥、印染等工業(yè)廢水的處理方面得到了廣泛的應(yīng)用。本研究主要是對(duì)復(fù)合Fe0/C微電解填料的制備進(jìn)行分析，并探討其在丙烯腈廢水處理方面的應(yīng)用可能性。

關(guān)鍵詞 微電解;丙烯腈;廢水;復(fù)合Fe0/C

隨著化工行業(yè)的發(fā)展，丙烯腈作為一種重要的化工原材料得到了廣泛的應(yīng)用，但是因?yàn)槠渖a(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的丙烯腈廢水屬于高濃度難降解的有機(jī)廢水，且含有非常高的鹽分含量和有機(jī)質(zhì)，組成十分復(fù)雜，因此處理難度較大。丙烯腈廢水中含有的丙烯腈等腈類(lèi)物質(zhì)及其低聚物或共聚物是降解難度非常大的污染物。而對(duì)于該類(lèi)廢水的處理方法主要有電壓水解生化處理法和焚燒法，但是這些方法具有成本高、二次污染、耗能大等問(wèn)題。

微電解技術(shù)也被稱(chēng)為內(nèi)電解法，是利用鐵、碳等在污水中形成閉合回路，從而形成無(wú)數(shù)的微型原電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)[1]。這一過(guò)程會(huì)出現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致污水中的污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，破壞污染物的結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到處理污水的目的。該工藝于20世紀(jì)70年代在發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始用于污水處理，于80年代引入我國(guó)[2]。經(jīng)過(guò)我國(guó)研究人員近些年的不斷研究，微電解技術(shù)因其運(yùn)行成本低廉、管理維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)而在化工、制藥、印染等行業(yè)的工業(yè)廢水處理和預(yù)處理中得到了廣泛的應(yīng)用[3]?；诖耍苽鋸?fù)合Fe0/C微電解填料，并探究其在丙烯腈廢水處理中的應(yīng)用效果。

燒結(jié)型Fe0/C復(fù)合材料主要是利用燒結(jié)工藝，來(lái)實(shí)現(xiàn)陰極和陽(yáng)極一體化的一種Fe0/C微電解填料。由于鐵粉和活性炭的黏結(jié)性較差，很難單獨(dú)滾制成型，因此可以在燒制過(guò)程中添加適量黏土。這是因?yàn)轲ね林泻写罅康腟iO2和Al2O3，且含量之和大于80%，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)之后，可以作為骨架，用來(lái)支撐Fe和C[4]。一般燒制過(guò)程中，黏土含量為60%，為了探究復(fù)合材料的最佳制備工藝，需要對(duì)Fe/C質(zhì)量比、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行探究。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)所用儀器請(qǐng)標(biāo)明型號(hào)及生產(chǎn)廠家，藥品請(qǐng)注明純度（色譜純、分析純、化學(xué)純）和生產(chǎn)廠家。

1.2 燒結(jié)型復(fù)合Fe0/C微電解填料的制備

（1）確定Fe/C質(zhì)量比

在燒結(jié)溫度600 ℃、燒結(jié)時(shí)間30 min、黏土含量為60%的條件下，選擇5∶1、4：1、3∶1、2∶1、1∶1這5種不同的Fe/C質(zhì)量比制得復(fù)合材料，并對(duì)模擬廢水實(shí)施降解實(shí)驗(yàn)。

（2）確定燒結(jié)溫度

按照“1.2.1”得出的Fe0/C原料配比，制備出生料球，并將所有的生料球平均分為4份，分別在1 000 ℃、800 ℃、600 ℃、400 ℃燒結(jié)30 min。對(duì)于已經(jīng)成型后的復(fù)合材料的強(qiáng)度性能進(jìn)行測(cè)量。

（3）確定燒結(jié)時(shí)間

以上述最佳材料配比和最佳燒結(jié)溫度為依據(jù)，滾制出一批生料球，平均分成3份，在溫度為700℃缺氧的條件下，分別燒制15min、30min、45min，對(duì)于成型后復(fù)合材料的強(qiáng)度性能進(jìn)行測(cè)量。

1.3 復(fù)合Fe0/C微電解填料在丙烯腈廢水處理中的應(yīng)用

應(yīng)用燒結(jié)型復(fù)合Fe0/C材料作為微電解填料，探究其應(yīng)用在丙烯腈廢水處理中的影響因素，如pH、HRT以及曝氣強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 Fe0/C微電解填料的最佳制備工藝

（1）Fe/C質(zhì)量比

經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e/C質(zhì)量比最佳的比例為4∶1，即鐵粉32%、粘土60%、活性炭8%是制備Fe0/C復(fù)合材料的最佳配比。

（2）燒結(jié)溫度

表1為燒結(jié)型Fe0/C復(fù)合材料的強(qiáng)度與燒結(jié)溫度之間的關(guān)系。在400 ℃燒結(jié)溫度下，復(fù)合材料強(qiáng)度較低，經(jīng)浸泡后易破碎，不適合使用;隨著燒結(jié)溫度的逐漸提升，SiO2和Al203形成的骨架結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固、密實(shí)，因此復(fù)合材料的強(qiáng)度也得到了增大;當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1000 ℃時(shí)，黏土內(nèi)部氣孔會(huì)大量消失，其硬度也變得極為堅(jiān)固。由于過(guò)于堅(jiān)固的復(fù)合材料在進(jìn)行水處理時(shí)，表面難以脫落更新，會(huì)影響材料處理廢水的時(shí)間，降低使用壽命[5]，加上燒結(jié)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致能源消耗增加，因此燒結(jié)溫度設(shè)定為600～800 ℃為最佳。

（3）燒結(jié)時(shí)間

（4）Fe0/C微電解填料性質(zhì)參數(shù)

表3所示為最佳制備工藝下燒結(jié)型復(fù)合Fe0/C微電解材料的具體性質(zhì)參數(shù)。堆積密度為997.2 kg/m3，顆粒密度為1 675.0 kg/m3，可以將其視為輕集料，較小的堆積密度和較大的空隙率能夠使其在處理污水過(guò)程中提供良好的水利條件，延緩填料的板結(jié)失效時(shí)間，同時(shí)還有利于開(kāi)展反沖洗。

（1）廢水初始pH對(duì)于處理效果的影響

在微電解工藝中，pH值是一個(gè)非常重要的參數(shù)。本研究通過(guò)測(cè)定Zeta電位，了解到在酸性條件下，復(fù)合材料的表面呈電負(fù)性。溶液中H+濃度在靜電力的作用下，會(huì)被吸附到復(fù)合材料的表面，得到電子，然后轉(zhuǎn)化為可以同丙烯腈產(chǎn)生反應(yīng)的還原[H]。在溶液pH上升的過(guò)程中，復(fù)合材料表面的Zeta電位會(huì)下降，材料表面對(duì)于H+的靜電力增強(qiáng)，但是如果pH過(guò)高，溶液中的H+幾乎不存在。所以，H+是微電解反應(yīng)中降解丙烯腈效果的一個(gè)重要因素。結(jié)果顯示，使用燒結(jié)型Fe0/C復(fù)合材料處理丙烯腈廢水的最適pH為3。

（2）HRT對(duì)于廢水處理效果的影響

在微電解工藝中，隨著HRT的增加，丙烯腈的去除率在不斷地提高，當(dāng)從0.5h上升到6h，去除率會(huì)顯著提高。但是，從6h增加到12h，丙烯腈的去除率無(wú)太大變化。這是因?yàn)楸╇嬖?～6h的HRT條件下被去除，當(dāng)HRT繼續(xù)增加，反應(yīng)器內(nèi)廢水的pH值會(huì)上升，甚至達(dá)到7。此時(shí)微電解反應(yīng)會(huì)減弱甚至停止，因此廢水的丙烯腈去除率不再增加。所以，微電解反應(yīng)器的最佳HRT為6h。

（3）曝氣對(duì)于廢水處理效果的影響

在3種不同曝氣量下處理丙烯腈廢水，發(fā)現(xiàn)與不曝氣相比，曝氣能夠在反應(yīng)器內(nèi)提供一個(gè)氧化環(huán)境，從而使污染物被氧化分解。同時(shí)，曝氣還可以將Fe2+氧化為絮凝作用更強(qiáng)的Fe（OH）3，使得污染物的去除率得到提高。因此，應(yīng)在處理廢水過(guò)程中增加曝氣裝置，曝氣量設(shè)定為0.2 L/min。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用燒結(jié)型復(fù)合材料Fe0/C作為微電解材料來(lái)進(jìn)行丙烯腈的廢水處理，可以得到良好的處理效果，并且在連續(xù)進(jìn)行處理的過(guò)程中，水質(zhì)非常穩(wěn)定，填料也沒(méi)有出現(xiàn)板結(jié)的現(xiàn)象，因此可以考慮將該材料應(yīng)用于其他類(lèi)似工業(yè)廢水的處理中。

參考文獻(xiàn)

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[4] 陳驍，漆新華.鐵碳微電解填料制備及其對(duì)亞甲基藍(lán)的降解[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2017，11（4）：2041-2046.

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作者簡(jiǎn)介

張燕（1990-），女，江蘇贛榆人;學(xué)歷：本科，助理工程師，現(xiàn)就職單位：連云港豪瑞生物技術(shù)有限公司，研究方向：微生物菌種篩選與培養(yǎng)。