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    三維電解-芬頓氧化聯(lián)用技術(shù)處理含鉻染色廢水

     在金屬加工、表面處理、電鍍、制革等工業(yè)中一系列染色處理會產(chǎn)生大量染色廢水,這類廢水含有大量表面活性劑、染料等物質(zhì),普遍具有高COD和高色度。另外由于含重金屬類染料的廣泛使用,使得該類廢水中含有大量重金屬污染物,其中以鉻最具毒性,也最難處理。鉻屬于國家環(huán)保標準中第一類污染物,需嚴格控制,如果處理不當(dāng)直接排入水體會對生態(tài)環(huán)境造成破壞,危害人體健康。含鉻染色廢水中鉻的存在形式一般有Cr(VI)和Cr(III)兩種,相對Cr(III)而言,Cr(VI)具有強氧化性,且毒性是Cr(III)的100倍。GB21900-2008《電鍍污染物排放標準》中表3規(guī)定的工業(yè)污水排放限值要求Cr6+的最高允許排放濃度為0.1mg·L-1和總鉻0.5mg·L-1,對電鍍企業(yè)鉻排放監(jiān)控嚴格。此外,色度作為水質(zhì)檢測中一項常規(guī)指標,往往代表著水體中含有特定污染物,簡單的脫色方法并不能使絡(luò)合態(tài)的含鉻染料分子物質(zhì)分離。因此,處理含鉻染色廢水技術(shù)的研究與開發(fā)尤為重要。

      三維電解技術(shù)是基于傳統(tǒng)的平板二維電極,增加粒子電極,使電解槽的面體比增加,提高處理能力。該技術(shù)工藝憑借環(huán)境友好型,應(yīng)用于預(yù)處理高濃度難降解有機廢水,目前在處理各類染色廢水中也已有一些成功的應(yīng)用。絡(luò)合態(tài)的染料分子在電極電荷以及在電極產(chǎn)生的具有很高的化學(xué)活性新生態(tài)H+作用下,使其粒子表面電荷、電位改變,發(fā)生氧化還原反應(yīng),分子失穩(wěn)。鐵碳粒子電極釋放出的Fe2+經(jīng)中和及曝氣后生成優(yōu)良的膠體絮凝劑Fe(OH)3使染料分子顆粒產(chǎn)生絮凝、沉淀,達到廢水脫色效果。與傳統(tǒng)物化學(xué)法相比,三維電解技術(shù)效率高、成本低、設(shè)備簡單、易操作,已成為近幾年來廢水處理的研究熱點。

      芬頓氧化法是通過添加適量Fe2+與H2O2,酸性環(huán)境下H2O2與Fe2+反應(yīng)生成強氧化能力的·OH和OH-,將難降解的有機物氧化分解,發(fā)色基團和助色基團不飽和結(jié)構(gòu)破壞,以達到脫色的目的,另一方面利用Fe(OH)3膠體絮凝作用吸附有機分子,使其通過沉淀去除。相比普通氧化法處理成本和效率上有了很大的提高,同時,芬頓反應(yīng)可與其他處理工藝相結(jié)合,提高處理效率且能夠降低處理成本。

      本研究嘗試將三維電解-芬頓氧化聯(lián)用處理含鉻染色廢水,為有效降解染色廢水提供新的處理途徑。

      1、材料與方法

      1.1 試驗材料及儀器

      供試廢液樣品取自廣東省東莞市某PCB廠陽極氧化表面處理生產(chǎn)線的含鉻染色廢水:COD為4521mg·L-1,pH值為6.85,電導(dǎo)率為228μs·cm-1,總鉻濃度為24.21mg·L-1,Cr6+濃度為5.71mg·L-1。

      所需試劑及溶劑為本地供應(yīng)商提供,均為分析純;E3620A實驗室用兩路輸出電源;pH值采用酸度計測定,電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率測定儀測定,色度參考張莘民提出方法用紫外分光光度計測定,總鉻濃度采用原子吸收分光光度計測定,Cr6+濃度用紫外分光光度計測定。

      1.2 試驗方法

      三維電解裝置如圖1所示,該反應(yīng)器以石墨板為陰陽極,內(nèi)部充填鐵碳顆粒,作為第三粒子電極。該反應(yīng)器底部采用空氣曝氣。

    1.jpg

      1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

      脫色率按照以下公式計算:

    2.jpg

      式中:A0為反應(yīng)前溶液吸光度,A為反應(yīng)后溶液吸光度。

      總鉻去除率按照以下公式計算:

    3.jpg

      式中:C為反應(yīng)結(jié)束后溶液總鉻的濃度,C0為反應(yīng)前溶液總鉻的濃度。

      采用MicrosoftExcel軟件進行統(tǒng)計分析,Origin8.5.1軟件作圖。

      2、結(jié)果與討論

      2.1 三維電解處理方案

      2.1.1 電壓對脫色及總鉻去除效果的影響

      在不同的電壓條件下(10V、20V、30V、40V、50V)對廢液樣品進行電解處理30min后加入絮凝劑,使其絮凝沉淀,過濾。考察三維電解輸出電壓對廢水脫色及總鉻去除效果的影響。實驗結(jié)果如圖2所示。

    4.jpg

      由圖2可知,廢水脫色及總鉻去除效果與電壓呈正相關(guān),電壓過低,電化學(xué)進行程度不徹底,影響處理效果。當(dāng)控制電壓為40V,脫色率及總鉻去除率分別為81.2%和91.70%。但當(dāng)進一步增加電壓至50V時,脫色率及總鉻去除率反而有所降低,分別為79.9%和89.96%。這是由于隨著電壓的升高,在極間距不變的情況下,電場強度增大,粒子電極之間電勢加大,氧化性提高。所以隨著電壓升高,脫色率上升。然而當(dāng)電壓過高,則會導(dǎo)致反應(yīng)強度過大,雖能增快反應(yīng)速率,但副反應(yīng)增多,同時高電壓使粒子電極發(fā)生了鈍化,導(dǎo)致脫色及總鉻去除效果下降。電壓增加的同時可增加帶電粒子運動,有利于電解絮凝反應(yīng)的進行,但槽電壓越大,能耗也越大,出于經(jīng)濟考慮可選用在40V電壓強度下進一步實驗。

      2.1.2 電解時間對脫色及總鉻去除效果的影響

      在40V電壓強度下對廢液樣品進行三維電解處理,分別在電解時長為15、30、60、90、120min取適量樣品,加入絮凝劑使其絮凝沉淀、過濾??疾烊S電解時間對廢水脫色及總鉻去除效果的影響。實驗結(jié)果如圖3所示。

    5.jpg

      由圖3可知,電解反應(yīng)時間過短,廢水的脫色及總鉻去除效果較差,不能使廢水脫色。當(dāng)電解時間為60min時,脫色率及總鉻去除率分別為83.7%和93.62%。表明隨著電解反應(yīng)時間的延長,廢水脫色率和總鉻去除率均升高,這是由于電解過程產(chǎn)生的H2O2隨電解時間延長而生成量增加,可增強氧化能力。同時三維電解過程中產(chǎn)生了大量膠體絮凝劑Fe(OH)3,起到了絮凝沉淀的作用,使得廢水脫色率和總鉻去除率升高。但進一步延長時間處理效果提升不明顯。

      2.2 芬頓氧化處理方案

      2.2.1 芬頓試劑投加量對脫色及總鉻去除效果的影響

      取試供水樣設(shè)置四組實驗組,每組各1L分別用1mol·L-1的H2SO4溶液將三組水樣調(diào)節(jié)pH至3,第一組加入5gFeSO4和5mLH2O2;第二組加入10gFeSO4和10mLH2O2;第三組加入15gFeSO4和15mLH2O2;第四組加入20gFeSO4和20mLH2O2進行芬頓氧化,氧化時長控制為0.5h,待氧化完全后用mol·L-1的NaOH溶液將三組水樣pH值調(diào)節(jié)至8.5,絮凝使其沉淀,過濾??疾旆翌D試劑投加量對廢水脫色及總鉻去除效果的影響,實驗結(jié)果如圖4所示。

    6.jpg

      廢水脫色率隨著芬頓試劑投加量的增加而有所增加,當(dāng)加入10gFeSO4和10mLH2O2芬頓氧化時,脫色率達到89.5%,總鉻去除率達到99.80%,進一步增加芬頓試劑投加量對廢水脫色率及總鉻去除率變化穩(wěn)定。絡(luò)合態(tài)染料分子的氧化降解主要依靠酸性條件下Fe2+催化H2O2所產(chǎn)生的強氧化能力的·OH來完成的,芬頓試劑投加量直接影響廢水處理效果。另一方面,反應(yīng)體系發(fā)生反應(yīng)Fe2++H2O2=Fe3++·OH+OH-,隨著反應(yīng)的進行會產(chǎn)生Fe3+起一定絮凝作用,在一定程度上,加強芬頓反應(yīng)的脫色作用。隨芬頓試劑投加量增加,染料分子快速分解氧化,脫色率明顯上升;但當(dāng)進一步增大投加量時,反應(yīng)體系發(fā)生副反應(yīng)H2O2+2·OH=H2O+O2,H2O2和·OH無效分解使處理效果不再顯著增加。

      2.2.2 芬頓氧化時長對脫色及總鉻去除效果的影響

      取試供水樣設(shè)置五組實驗組,每組各1L,分別用1mol·L-1的H2SO4溶液將五組水樣調(diào)節(jié)pH至3,加入10gFeSO4和10mLH2O2進行芬頓氧化,分別設(shè)置氧化反應(yīng)時長為15、30、60、90、120min,待氧化完全后用1mol·L-1的NaOH溶液將五組水樣pH值調(diào)節(jié)至8.5,絮凝使其沉淀,過濾??疾旆磻?yīng)時間對廢水脫色及總鉻去除效果的影響。實驗結(jié)果如圖5所示。

    7.jpg

      圖5所示為芬頓氧化反應(yīng)15、30、60、90、120min時含鉻染色廢水脫色及總鉻去除效果。廢水脫色率及總鉻的去除率隨著反應(yīng)時間的延長而增大,60min時,脫色率達到90.3%,總鉻去除率達到99.90%;60min后,色度和總鉻去除率增幅變小,反應(yīng)基本平緩。這是因為反應(yīng)進行到60min時,芬頓氧化反應(yīng)中大部分H2O2被消耗,產(chǎn)生的·OH的量減少,另外在反應(yīng)中可能產(chǎn)生了一些難以被·OH氧化的中間產(chǎn)物,廢水色度和總鉻的去除率難以進一步提高。

      2.3 三維電解-芬頓聯(lián)用處理方案

      在40V電壓強度下對廢液樣品進行三維電解處理,控制電解時長為60min后加入絮凝劑使其絮凝沉淀,過濾。取全部濾液用1mol·L-1的H2SO4溶液調(diào)節(jié)pH至3,分別按5g·L-1FeSO4和5mL·L-1H2O2的試劑比例和10g·L-1FeSO4和10mL·L-1H2O2的試劑比例加入芬頓試劑進行芬頓氧化,控制芬頓氧化反應(yīng)時長均為60min,待氧化完全后用1mol·L-1的NaOH溶液將水樣pH值調(diào)節(jié)至8.5,絮凝使其沉淀,過濾??疾烊S電解-芬頓聯(lián)用對廢水脫色及總鉻和Cr6+去除效果。實驗結(jié)果如表1所示。

    8.jpg

      由表1可知,三維電解-芬頓聯(lián)用處理含鉻染色廢水最好能使脫色率達到99.99%,剩余總鉻及Cr6+的濃度在檢出限以下。并且采用三維電解-芬頓聯(lián)用處理含鉻染色廢水時將芬頓藥劑量減半處理也能使脫色率達到99.98%,剩余總鉻和Cr6+的濃度滿足GB21900-2008中表3排放標準在檢出限以下。另外三維電解選用的粒子電極為鐵碳顆粒,會產(chǎn)生大量Fe2+,此外,芬頓氧化加入過量的FeSO4,均能很好的將Cr6+還原成Cr3+,通過加堿沉淀,使其以Cr(OH)3形式得以去除。

      3、結(jié)論

      (1)本研究發(fā)現(xiàn)相比單一處理工藝,三維電解—芬頓氧化聯(lián)用技術(shù)處理含鉻染色廢水,可有效降低廢水中總鉻的含量,并達到快速脫色的目的。當(dāng)設(shè)置三維電解電壓40V對含鉻染色廢水電解60min,后加入20g·L-1FeSO4和20mL·L-1H2O2芬頓氧化60min后可以使廢水脫色率達到99.99%,剩余總鉻及Cr6+的濃度在檢出限以下,達到GB21900-2008《電鍍污染物排放標準》中表3排放標準。

      (2)實際工程應(yīng)用中,在滿足GB21900-2008《電鍍污染物排放標準》中表3排放標準的前提下采用三維電解—芬頓氧化聯(lián)用技術(shù)處理含鉻染色廢水可以減少芬頓藥劑的用量,從而使得工藝相應(yīng)的產(chǎn)泥量也能減少,可降低企業(yè)的運行費用。


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