铁炭微电解处理染料废水试验研究

王晓晶　王志豪　王左栋

实验自制了铁炭微电解填料，并用于处理染料废水。试验结果表明，该填料对染料废水脱色效果明显，在填料投加量为40g/L、pH为4、反应时间为2.5小时的条件下，铁炭微电解对染料去除率达到88.9%

我国是世界上染料的生产和出口大国，因此染料废水成为重要的环境污染源之一，对染料废水的处理研究具有很大的现实意义。染料废水一般具有有机物浓度高、色度高、成分复杂、无机盐含量大、脱色困难等特点，是一种典型的难降解有机废水[1，2]，如果未经处理直接排放，将对周围水体造成严重污染，影响人们的正常工作生活。

铁炭微电解技术是利用铁和炭形成微电池，通过电化学腐蚀、氧化还原、物理吸附、絮凝沉淀等过程实现污染物去除。目前，铁炭微电解技术已广泛应用于染料脱色、印染、化工等难降解有机废水中。

本实验采用铁炭微电解和Fenton试剂氧化技术对酸性嫩黄染料废水进行处理，以考察二者对染料的脱色效果。

1 材料与方法

1.1 铁炭微电解填料的制备

将还原性铁粉、粉末活性炭、粒径小于100目的粘土作为原料，按照质量百分比铁粉：活性炭：粘土=70%：15%：15%量取，加入适量的水充分搅拌混匀，制成3mm-10mm的颗粒状填料。将填料放入烘箱，于30～500C烘干，然后将干燥的填料移入管式炉，在隔绝氧并通入N2的情况下，于8000C下焙烧2小时。待焙烧结束、冷却后，制得定型的铁炭微电解填料。制得的填料具有良好的比表面积，能够有效防止填料表面钝化及填料的板结。

1.2 模拟染料废水的配制

准确称取0.1g酸性嫩黄染料，用蒸馏水溶解后移入容量瓶，定容至1000mL，配制成浓度为300mg/L的模拟染料废水。

1.3 实验步骤

铁炭微电解实验步骤[3]：取100mL酸性嫩黄模拟染料废水放入250mL的锥形瓶中，调节一定的pH后，再分别加入一定的铁炭填料，在室温下于电热恒温振荡水槽中反应一定的时间，测定上清液的染料浓度。

1.4 分析方法

①染料浓度的测定

分别配制浓度为20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、120mg/L的酸性嫩黄染料在420nm处分别测定其吸光度，绘制染料浓度与吸光度的标准曲线，水样中染料浓度的测定通过测定吸光度后计算确定。

②pH

pH由pH计测定。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对铁炭微电解处理效果的影响

在常温、pH为7、填料投加量为1g的条件下，分别取100mL模拟染料废水加入7个250mL锥形瓶中，放入电热恒温振荡水槽中振荡，每隔30min时测定处理后水样中的染料，并计算去除率，结果如图1所示。

由图1可见，反应开始阶段随着反应时间的推移，染料的去除率也在上升。在150分钟时染料的去除率达到19.4%，但是此后再增加微电解处理时间，染料的去除率增加不大。脱色率升高有两部分原因促成[3， 4]，主要是反应刚开始时活性炭对染料的吸附作用导致染料降低，脱色率增高；另外，随着反应时间的延长，铁的腐蚀速度也在减缓，易降解物质基本反应完全，难降解物质反应在此条件下很难被破坏。微电解作用破坏了一部分染料的偶氮发色基团，使得染料下降的同时破坏了染料较为稳定的共轭结构，染料的大分子结构被分解为小分子结构[5]，本实验中当处理2.5小时后，脱色率变缓，选择反应时间为2.5小时。

2.2 填料投加量对铁炭微电解处理效果的影响

在常温、pH为7、反应时间为2.5小时的条件下，分别取100mL模拟染料废水加入7个250mL的锥形瓶中，分别加入0.5g、1g、2g、3g、4g、5g、6g填料，测定反应结束时的吸光度，结果如图2所示。

由图2可知，随着填料投加量的增加，染料的去除率也逐渐增大。当填料投加量达到4g时，染料去除率达到49.78%，但是此后再增加微电解填料投加量，染料的去除率增加便不明显。理论上来说，随着铁炭微电解填料投加量的增大，形成的铁炭微电极数量就会增加内电解作用加剧，溶液中的Fe3+所产生的混凝作用也随之加剧，这两者的联合作用使得一开始脱色率逐渐增大[6]，而后再加入的填料对整个微电解反应的促进作用就不会太明显。综合考虑，选择最佳填料投加量为4g。

2.3 pH值对铁炭微电解处理效果的影响

在常温、反应时间为2.5小时、填料投加量为4g的条件下，分别取100mL模拟染料废水加入7个250mL的锥形瓶中，改变原液的pH值，使之分别为1、2、3、4、5、6、7，时间结束时测定处理后水样中的染料浓度并计算去除率，结果如图3所示。

由图3可知，废水pH值对铁炭微电解的处理效果影响较大，反应在酸性条件下效果较好，在接近中性条件下对染料的去除率降低。在pH为4时处理效果最为理想，脱色率达到88.9%。pH值太低，耗酸量增加，同时对铁炭微电解填料的耗用和腐蚀也增加。pH值低于4或高于4处理效果会变差。从理论上分析可以发现在酸性条件下，填料中铁粉的腐蚀加快，由电极反应生成具有很强活性的新生态[H] [7，8]，可以破坏一些发色基团或者是助色基团的结构，使废水的色度降低；与此同时反应生成的Fe2+在出水时pH呈中性或是碱性且有氧存在的条件下，可以形成Fe（OH）2直至Fe（OH）3 ，这样生成的絮状沉淀，通过吸附和絮凝作用，将废水中的污染物去除。但酸性过强，会使处理后的水中含有大量的Fe2+和Fe3+，使得出水水样的色度加深，对脱色效果造成了一定的影响。同时溶液中多余的H+还会破坏已经形成的絮凝体，使得处理效果变差，综合考虑，铁炭微电解最佳的反应pH为4。

2.4 填料各功能单元对染料去除比例分析

为考察填料中活性炭、粘土、铁粉等各成分对染料去除率的影响所占的比重，我们在pH为4、反应时间为2.5小时的最佳反应条件下，加入同样比例的活性炭和粘土来验证其对染料的脱色效果。分别取0.6g活性炭和粘土加入100mL的原液中，调节pH至4，然后将锥形瓶放入电热恒温振荡水槽中反应2.5小时，测定其染料浓度，其染料去除率为18.1%。填料各功能对染料的去除效率分布如图4所示。

由图4可见，在总的88.9%的染料去除率中，粘土和活性炭的去除效果仅占到20%，而剩下80%比例的染料是通過微电解去除，说明制备的填料充分发挥了微电解的作用。

3 结论

（1）自制铁炭微电解填料处理酸性嫩黄模拟染料废水，最优工艺参数为填料投加量40g/L、pH值为4、反应时间为2.5小时。经过处理，染料去除率达到88.9%。

（2）在染料的去除中，铁炭微电解各功能单元对染料的去除分布为：炭与粘土占20%，而微电解作用，去除的燃料占80%。

（作者单位：烟台市环境监测中心站）