葉志偉,段佳男,吳思成,李登新,朱宏藝,肖政國(guó)
(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620;2. 東華大學(xué) 國(guó)家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心,上海 201620)
隨著工業(yè)化的發(fā)展,越來越多的行業(yè)涉及含氯廢水的排放,產(chǎn)生了大量含氯廢水,這些含氯廢水不僅影響工業(yè)生產(chǎn),還對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生不利影響。為此,國(guó)內(nèi)許多省市相繼出臺(tái)了關(guān)于氯離子排放限值的標(biāo)準(zhǔn),如上海市最新的氯離子二級(jí)排放限值為250 mg/L;河北省氯化物排放標(biāo)準(zhǔn)按照不同的行業(yè)以及不同的等級(jí)來劃分,其中氯離子最高的允許排放限制為600 mg/L。國(guó)內(nèi)外對(duì)于含氯廢水的處理開展了大量研究,目前主要的除氯方法有反滲透法、離子交換法、化學(xué)沉淀法、電滲析法等。其中:離子交換法對(duì)水質(zhì)要求高,且使用價(jià)格較貴;電滲析法主要處理低濃度廢水,且耗能高;反滲透法的膜組件容易堵塞;而化學(xué)沉淀法操作簡(jiǎn)單,去除氯離子的速度較快。
對(duì)已有化學(xué)沉淀法去除溶液中氯離子的研究進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn):由于價(jià)格昂貴,銀鹽沉淀法主要用于檢測(cè)氯離子;亞硫酸鈉法會(huì)產(chǎn)生二氧化硫有毒氣體,危害環(huán)境;而銅粉法和鋅粉法的氯離子去除率較低。因此,需要開發(fā)一種價(jià)格較低、綠色環(huán)保且高效的除氯方法。
抗壞血酸(CHO)是一種很強(qiáng)的還原劑,常用于高效還原制備銅納米粒子。作為一種綠色無毒的還原劑,抗壞血酸也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境治理中。
本研究以抗壞血酸為除氯劑,將Cu還原成Cu并與氯離子結(jié)合生成氯化亞銅沉淀,從而去除溶液中的氯離子??疾炝朔磻?yīng)pH、五水硫酸銅(CuSO·5HO)與抗壞血酸的物質(zhì)的量比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、五水硫酸銅與氯離子的物質(zhì)的量比、初始氯離子濃度等參數(shù)對(duì)除氯的影響,并通過XRD和EDS對(duì)沉淀產(chǎn)物進(jìn)行分析,初步探究了反應(yīng)機(jī)理。
氯化鈉、五水硫酸銅、氫氧化鈉、硫酸:均為分析純,購自國(guó)藥集團(tuán)。-抗壞血酸(VC):分析純,購自上海泰坦科技公司。實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。
模擬廢水:用氯化鈉和去離子水配制的模擬含氯廢水。
實(shí)際廢水:取自河北省某發(fā)電廠脫硫廢水,氯離子質(zhì)量濃度為7 067 mg/L。
PHSJ-3F型pH計(jì)、PCl-1-01型氯離子電極和232-1型參比電極:上海雷磁儀器廠。COS-110X5型恒溫水浴震蕩器:上海比朗儀器有限公司。D/max-2550VB+/PC型18 kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀:日本理學(xué)公司;S-4800型掃描電子顯微鏡:日本日立公司。
配制200 mL一定濃度的模擬廢水,分別投加一定量的五水硫酸銅和抗壞血酸,用氫氧化鈉溶液或硫酸溶液調(diào)節(jié)pH至設(shè)定值,在恒溫水浴振蕩器中以相同的轉(zhuǎn)速(600 r/min)攪拌一定時(shí)間。過濾,用離子選擇電極法測(cè)定濾液中氯離子的質(zhì)量濃度。根據(jù)反應(yīng)前后溶液中氯離子的質(zhì)量濃度計(jì)算其去除率。
將沉淀產(chǎn)物洗滌、干燥、研磨后進(jìn)行表征分析。采用XRD分析沉淀產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu);采用SEM-EDS分析沉淀產(chǎn)物的元素組成,觀察沉淀產(chǎn)物的微觀形貌。
利用模擬廢水考察不同反應(yīng)條件下抗壞血酸作為除氯劑的除氯效果,優(yōu)化工藝條件,最后在最佳條件下處理實(shí)際廢水。
在初始氯離子質(zhì)量濃度為1 517 mg/L、(Cu)∶(VC)∶(Cl)為3.0∶1∶2、反應(yīng)溫度為20 ℃、反應(yīng)時(shí)間為20 min的條件下,考察在不同反應(yīng)pH下氯離子的去除效果,結(jié)果見圖1。
圖1 反應(yīng)pH對(duì)除氯的影響
當(dāng)反應(yīng)pH小于3.6時(shí),氯離子的去除率隨pH的增大逐漸提高,特別是在3.0~3.6的范圍內(nèi)氯離子去除率增長(zhǎng)較快;反應(yīng)pH為3.6時(shí)氯離子去除率達(dá)到最高;當(dāng)反應(yīng)pH高于3.6時(shí),氯離子去除率隨pH的升高逐漸降低。原因是抗壞血酸的還原能力隨著堿性的提高而增強(qiáng)。在反應(yīng)pH小于3.6時(shí),抗壞血酸只將銅離子還原成亞銅并與氯離子結(jié)合生成氯化亞銅沉淀(見式(1)和式(2),式中HA代表抗壞血酸,A代表去氫抗壞血酸);當(dāng)反應(yīng)pH高于3.6時(shí),部分銅離子被直接還原成銅單質(zhì)(見式(3)),導(dǎo)致去除率降低。因此,反應(yīng)pH為3.6較適宜。
在初始氯離子質(zhì)量濃度1 517 mg/L、反應(yīng)pH為3.6、(VC)∶(Cl)為1∶2、反應(yīng)溫度為20 ℃、反應(yīng)時(shí)間為20 min的條件下,考察在不同(Cu)∶(VC)下氯離子的去除效果,結(jié)果見圖2。
圖2 n(Cu)∶n(VC)對(duì)除氯的影響
氯離子去除率隨著(Cu)∶(VC)的增大而逐漸增大,當(dāng)(Cu)∶(VC)從1.5∶1增至2.0∶1時(shí),氯離子去除率增長(zhǎng)較快,從50%左右增至80%以上。當(dāng)(Cu)∶(VC)為3.0∶1時(shí),氯離子去除率最高,繼續(xù)增大(Cu)∶(VC),氯離子去除率的變化較小。因此,(Cu)∶(VC)為3.0∶1較適宜。
在初始氯離子質(zhì)量濃度為1 517 mg/L、反應(yīng)pH為3.6、(Cu)∶(VC)∶(Cl)為3.0∶1∶2、反應(yīng)溫度為20 ℃的條件下,考察在不同反應(yīng)時(shí)間下氯離子的去除效果,結(jié)果見圖3。
圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除氯的影響
隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),氯離子去除率快速提高,在20 min左右即達(dá)到最大值。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,氯離子去除率略有降低,并維持在一個(gè)水平上。原因是:抗壞血酸在pH為3.6時(shí)還原性較強(qiáng),還原銅離子的速度很快,在反應(yīng)的初始階段能夠很明顯看到溶液中有白色沉淀大量生成,溶液也很快從澄清變?yōu)闇啙?;?dāng)反應(yīng)時(shí)間超過20 min后,因?yàn)槿芙庋跹趸然瘉嗐~,氯離子又釋放到溶液中,增加了溶液中剩余氯離子的濃度,導(dǎo)致其去除率有所降低。因此,反應(yīng)時(shí)間為20 min較適宜。
在初始氯離子質(zhì)量濃度為1 517 mg/L、反應(yīng)pH為3.6、(Cu)∶(VC)∶(Cl)為3.0∶1∶2、反應(yīng)時(shí)間為20 min的條件下,考察在不同反應(yīng)溫度下氯離子的去除效果,結(jié)果見圖4。
圖4 反應(yīng)溫度對(duì)除氯的影響
隨著反應(yīng)溫度的升高,氯離子的去除率逐漸下降。當(dāng)反應(yīng)溫度在20 ℃時(shí),氯離子的去除率最高。升高反應(yīng)溫度,反應(yīng)后溶液中剩余氯離子濃度也逐漸增大??赡苁且?yàn)闇囟仍礁?,抗壞血酸的穩(wěn)定性越差,更易分解,同時(shí)溫度升高還易引起氯化亞銅復(fù)溶,導(dǎo)致了溫度越高氯離子的去除率越低。因此,反應(yīng)溫度為20 ℃較適宜。
在反應(yīng)pH為3.6、(Cu)∶(VC)為3.0∶1、反應(yīng)時(shí)間為20 min、反應(yīng)溫度為20 ℃的條件下,考察在不同(Cu)∶(Cl)下氯離子的去除效果,結(jié)果見圖5。
圖5 n(Cu)∶n(Cl)對(duì)除氯的影響
(Cu)∶(Cl)在1.0∶1至1.5∶1的范圍內(nèi),隨(Cu)∶(Cl)的增大氯離子去除率逐漸提高,(Cu)∶(Cl)為1.5∶1時(shí),氯離子的去除率最高。繼續(xù)提高(Cu)∶(Cl),氯離子去除率有所降低。在實(shí)驗(yàn)過程中,可觀察到(Cu)∶(Cl)在2.0∶1至6.0∶1范圍內(nèi),均生成了部分銅單質(zhì)(見圖6a橙色部分),其微觀形貌各異,大小不一,粒徑為1~4 μm(見圖6b)。這可能是因?yàn)殂~離子在溶液中的濃度很高,而抗壞血酸的還原性又很強(qiáng),直接將部分銅離子還原成銅單質(zhì),減少了亞銅的產(chǎn)生,最終導(dǎo)致氯離子的去除率有所降低。因此,(Cu)∶(Cl)為1.5∶1較適宜。
圖6 銅單質(zhì)的照片(a)和SEM照片(b)
在反應(yīng)pH為3.6、(Cu)∶(VC)∶(Cl)為3.0∶1∶2、反應(yīng)溫度為20 ℃、反應(yīng)時(shí)間為20 min的條件下,考察在不同初始氯離子濃度下氯離子的去除效果,結(jié)果見圖7。
圖7 初始氯離子濃度對(duì)除氯的影響
總體而言,氯離子去除率隨著初始氯離子濃度的增大而提高。在初始氯離子質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時(shí),氯離子去除率為92.8%,且溶液中剩余氯離子質(zhì)量濃度非常低,僅為71 mg/L,遠(yuǎn)低于河北省氯離子的排放限值。在初始氯離子質(zhì)量濃度為4 000 mg/L時(shí),氯離子去除率為96.6%,溶液中剩余的氯離子質(zhì)量濃度也僅為135 mg/L。上述結(jié)果表明,利用抗壞血酸作為除氯劑,對(duì)于不同初始氯離子濃度的溶液均有較好的去除效果。
最佳條件下沉淀產(chǎn)物的XRD和EDS分析結(jié)果如圖8所示。將沉淀產(chǎn)物的XRD譜圖(圖8a)與標(biāo)準(zhǔn)氯化亞銅的譜圖JCPDS NO.06-0344對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的沉淀產(chǎn)物為氯化亞銅。由沉淀產(chǎn)物的EDS譜圖(圖8b)可知,沉淀產(chǎn)物中的元素只有Cu和Cl,二者的摩爾分?jǐn)?shù)分別為50.3%和49.7%,進(jìn)一步印證了沉淀產(chǎn)物為氯化亞銅。由于氯化亞銅的特殊性能,使其在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,可用做催化劑,也可制作電化學(xué)電池等。
圖8 沉淀產(chǎn)物的XRD(a)和EDS(b)譜圖
在上述最佳條件下處理實(shí)際廢水(初始氯離子質(zhì)量濃度7 067 mg/L),處理后出水中氯離子質(zhì)量濃度為87 mg/L,氯離子去除率高達(dá)98.7%。
a)采用抗壞血酸作為除氯劑脫除氯離子,在反應(yīng)pH為3.6、(Cu)∶(VC)∶(Cl)為3.0∶1∶2、反應(yīng)溫度為20 ℃、反應(yīng)時(shí)間為20 min的最佳條件下,初始氯離子質(zhì)量濃度為1 000~4 000 mg/L時(shí)均有較高的除氯效率,氯離子去除率最高可達(dá)96.6%,且溶液中剩余的氯離子質(zhì)量濃度均低于250 mg/L。
b)在上述最佳條件下處理實(shí)際廢水(初始氯離子質(zhì)量濃度7 067 mg/L),處理后出水中氯離子質(zhì)量濃度為87 mg/L,氯離子去除率高達(dá)98.7%。
c)XRD和EDS的表征結(jié)果顯示,最佳條件下反應(yīng)后的沉淀產(chǎn)物為氯化亞銅。氯化亞銅具有一定的商業(yè)價(jià)值,未來或許可以研究如何在除氯的過程中產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。