韓文婧,王萌,劉蘇亭,賈玉玲

(濰坊職業(yè)學院,山東 濰坊 262737)

人類社會的工業(yè)發(fā)展與日常生活均離不開水資源,淡水資源則是水資源中與人類生活最緊密的一種。水資源在全球的時空分布極不均衡,我國的淡水資源人均占有量遠低于國際平均水準,西北部地區(qū)的淡水資源又遠低于東南沿海地區(qū)。工業(yè)生產導致的水資源污染又導致相當一部分淡水資源被污染,很多地區(qū)都出現(xiàn)了無水可用的現(xiàn)象。水資源短缺已經開始對我國的經濟發(fā)展與日常生活造成影響,并與能源危機并列,成為新世紀面臨的主要問題[1]。經大量學者研究發(fā)現(xiàn),在被污染的水域中,工業(yè)污染占據(jù)絕大部分比例,尤其是有機廢水的排放日益增長,這類污染物會導致水域內所有生物中毒甚至死亡。有機化工廢水通常具備成分復雜、難以處理等特點,且色度大、異味大,會對生態(tài)平衡造成極大的影響。在處理有機化工廢水時,可以采取微電解法。這是一種以有機廢水作為電解質,通過鐵和活性炭之間的電位差,構造原電池電廠,并進行氧化還原反應的一種廢水處理方法。通過微電解法,可以有效地降解廢水中的有機物,改變分子的發(fā)光基團,增強廢水的可用性?；谖㈦娊夥?設計了一種高濃度有機化工廢水處理方法。

1 實驗設計

1.1 試劑與儀器

本實驗中使用的化學試劑如表1所示。

表1 實驗用化學試劑

除上述化學試劑外,還需要一些實驗儀器,如表2所示。

表2 實驗儀器

除上述大型實驗設備外,實驗過程中還需要準備若干玻璃儀器,如量筒、玻璃棒、膠頭滴管、燒杯等。

1.2 實驗反應原理

在微電解法中,一般使用還原性較強的鐵與活性炭構成原電池,在氧化還原反應下,實現(xiàn)對有機化工廢水內污染物的降解[2]。在此過程中,電極兩側的反應原理如圖1所示。

圖1 實驗反應裝置示意圖

如圖1所示,在電化學反應中,陽極的電極反應式主要為:

(1)

(2)

陰極的電極反應式為:

(3)

在電場的作用下,原本的廢水中會排列大量的電荷,氧化還原反應則會導致有機污染物被降解。在該裝置內,主要組成部分為曝氣裝置、氧化還原反應器以及電解質填料[3]。結合裝置內的攪拌板,提高實驗裝置的處理效果。

1.3 實驗方法

1.3.1 配置有機化工廢水

在本實驗中,選擇某含氮有機物作為有機化工廢水中的主要污染物,其分子結構如圖2所示。

圖2 有機廢物分子結構

圖2中的有機物存在易積蓄、不易降解等特點,因此將其作為實驗原料。準確稱量0.1 g該有機廢物原料放入到燒杯中,在燒杯中添加100 mL蒸餾水,將其充分溶解[4]。然后將溶解后得到的溶液導入500 mL的容量瓶內定容,即可得到500 mL的有機化工廢水。

1.3.2 制備電解質填料

在制備電解質的過程中,需要使用鐵粉、活性炭、膨潤土、碳酸氫鈉作為原料,其中鐵粉和活性炭是電解質的主要材料,膨潤土為粘結劑,碳酸氫銨則是作為電解質填料的造孔劑。將這些物質按照一定的比例均勻混合,并在其中按照一定比例添加蒸餾水。電解質填料的含水量需要在14%～16%之間,保證后續(xù)步驟不會因鍛造出現(xiàn)干燥開裂等現(xiàn)象。并將電解質填料的直徑控制在10～12 mm之間,整體呈現(xiàn)出規(guī)整的原型[5]。電解質填料需要首先放置在恒溫干燥箱內烘干,溫度為80 ℃,時間為30 min。等到溫度自然降低至室溫,并將其繼續(xù)轉移到可編輯高溫爐中,高溫煅燒3 h,繼續(xù)等待自然冷卻。此時得到的物質即為電解質填料。

1.3.3 廢水檢測方法

使用單因素分析法,固定其他參數(shù),對某一個因素進行實驗,以判斷最佳實驗步驟。然后使用高效液相色譜儀,對剩余有機化工廢水中的有機物濃度進行檢測。使用C18不銹鋼柱,在277 nm波長下,甲醇和乙酸的濃度為1∶1。在測定有機物的濃度時,該有機物通過紫外-可見分光光度計可以在350～500 nm之間進行分析,并確定最大吸收波長。需要確定其最大吸收波長,如圖3所示。

圖3 有機物紫外-可見吸收譜

通過吸收譜可知, 在波長為360 nm時,該有機物存在一個較小的吸收光譜,在波長為450 nm,該有機物的吸收光達到峰值,因此在后續(xù)的實驗中,選擇波長為450 nm的吸收光。在實驗結束之后,稱取一定質量的有機化工廢水,測試溶液內被測有機物的濃度,并將試驗后有機物的濃度與實驗前有機物的濃度進行對比。

1.3.4 降解率計算

有機化工廢水的降解率判斷該微電解法對廢水的作用,其計算公式為:

(3)

式中,ηk表示有機化工廢水在一段時間后的降解率,單位為%;Cy表示有機化工廢水中被測有機物的初始濃度;Cyt表示一段時間后有機物的濃度。通過上述公式,可以得到本實驗各項參數(shù)下,高濃度有機化工廢水的處理效率。

2 結果與討論

2.1 鐵碳比對廢水處理效果的影響

在本實驗的點機制填料中,主要的組成結構是鐵粉和活性炭。二者的比例需要保證在一定的界限之內,如果活性炭含量過低,則會降低原電池的電解作用,導致廢水處理效率低下,如果活性炭含量過高,則會反過來對電極產生負面作用,降低污染物的去除效果。因此需要判斷二者之間的比例,得到微電解作用最強的填料配比。在獲取最佳鐵碳比例的過程中,將鐵粉質量與活性炭質量分別設置為1∶1,2∶1,4∶1,6∶1,8∶1,10∶1,此時的膨潤土和碳酸氫鈉等其余物質在電解質填料中所占比例為40%,即三類物質的質量配比分別如表3所示。

表3 電解質填料中各質量配比

將上述6類電解質填料分別放在反應器皿中,向其中添加100 mL廢水,并在不同時段分別取樣,檢測該時段有機化工廢水內化學物的剩余濃度,以此判斷電解質填料內鐵粉與活性炭的最佳比例。

如圖4所示,將電解質填料與有機化工廢水放置在一起7 h后,廢水的處理效率達到最大值。當鐵碳比為1∶1時,廢水被降解的比例約為28%,當鐵碳質量比為2∶1時,廢水被電解質降解的比例約為31%,當鐵碳質量比為4∶1、時,降解比例為35%,當鐵碳質量比分別為6∶1,8∶1,10∶1時,其被電解質填料降解的比例分別為50%,37%,45%。由此可見,當其他因素確定時,鐵碳質量比為6∶1時,微電解法對高濃度有機化工廢水的凈化比例最高,處理效果最好。

圖4 鐵碳質量比對廢水處理效果的影響

2.2 其他填充物質所占對廢水處理效果的影響

確定電解質填料中的鐵碳質量比為6∶1,且鐵粉和活性炭的質量為30 g和5 g。分別設置膨潤土與碳酸氫鈉等其他填充物質在電解質填料中的比例為10%,20%,30%,40%,50%,60%,可得填料內各物質的質量配比如表4所示。

表4 質量配比

經由上述填料內物質的配比,配置相應的電解質填料,并將其放置在反應器皿中,并向其中添加100 mL廢水。7 h后,測試有機化工廢水的當前濃度,計算該電解質填料的降解比例。并判斷不同比例的此類物質對廢水處理效果的影響。

如圖5所示,當填充物在電解質填料中的比例僅為10%時,7 h后的有機物降解比例為46%,當填充物的比例為20%時,降解比例為49%,當填充物比例為30%和60%時,降解比例分別為51%和54%,當填充物在電解質填料中的比例為40%和50%時,有機物的降解比例最高,為56%和57%。由此可見,在保證鐵碳質量比為6∶1的基礎上,需要將填充物質的比例設置在40%～50%之間,才能使實驗中有機化工廢水的降解比例達到最大,使廢水的處理效果最好。

圖5 其他填充物質在電解質填料中的質量比例對廢水處理效果的影響

2.3 高溫爐煅燒溫度對廢水處理效果的影響

令電解質填料中的鐵碳質量比為6∶1,填充物質的比例為45%,探究可編輯高溫爐的煅燒溫度對廢水處理效果的影響。分別設置可編輯高溫爐的煅燒溫度分別為150,200,250,300,350,400 ℃,并測試以上6個變量對廢水處理效果的影響。

如圖6所示,六個條件下的有機廢水均能在7 h內達到最大降解比例。當高溫爐煅燒溫度為150 ℃時,有機物的降解比例為16%,當溫度為200 ℃時,降解比例為24%,當煅燒溫度為250 ℃和400 ℃時,降解比例分別為35%和42%,當高溫爐的煅燒溫度為350 ℃時,有機物的降解比例為5%。只有將高溫爐的溫度設置為300 ℃,實驗的廢水處理效果才能達到最大,約為56%。

圖6 高溫爐溫度對廢水處理效果的影響

3 結束語

設計了一種基于微電解法的高濃度有機化工廢水處理方法,對其電解質基團組成成分與比例,以及實驗煅燒溫度進行探究,得到最佳的實驗條件。通過上述廢水處理方法,可以對該有機化合物污染水域進行污染處理,降低水中的有機物含量,在工程應用中具備較好的前景。在下一步的研究中,可以對其他有機物污染下的水體凈化進行實驗論證,并對不同陰極材料進行系統(tǒng)化的測試。