催化铁内电解法预处理苯酚废水的试验研究

2015-07-16耿世洲

中国新技术新产品 2015年10期

关键词：正交试验

张曼耿世洲

（武汉中科水生环境工程股份有限公司，湖北武汉 430064）

催化铁内电解法预处理苯酚废水的试验研究

张曼耿世洲

（武汉中科水生环境工程股份有限公司，湖北武汉 430064）

摘要：以Fe投加量、铁铜比、pH值为考察因素，通过单因素和正交试验，确定各因素对实验结果影响的主次顺序为：pH值>Fe投加量> 铁铜比；最优因素组合为：Fe投加量为250g/L，铁铜比为6：1，pH值为3。

关键词：苯酚废水；内电解；铁铜比；正交试验

含酚废水来源广、危害大、治理难度高，是目前水污染控制中重点解决的有害废水之一。在含酚废水常用的处理方法中，萃取法、吸附法操作简单，处理效率高，但是有产生二次污染、再生困难等问题；高级氧化法简单、快速，但是处理成本昂贵。

催化铁内电解技术是一项操作管理简单、能耗低的环境友好型污染治理工艺，作为一种预处理方法其可以明显改善废水的可生化性，显示其在难降解有机废水处理中的发展潜力。

1 催化铁内电解工艺的降解机理

催化铁内电解降解有机物最基本的原理是电极腐蚀，即阳极铁逐渐消耗的过程。铸铁是铁和碳的合金，成分中除了纯铁还包括Fe3C及其它一些杂质。杂质成分形成微小颗粒散布在铸铁内部，当处于电解质溶液中时，因为其拥有和铁不同的电极电势，会形成无数个微小原电池，铁逐渐被消耗。当铁屑和铜相接触时，又可以构成宏观原电池。基本电极反应如下：

阳极：Fe→Fe2++2e， E（Fe2+/ Fe）=-0.44V

阴极：

酸性溶液 2H++2e→2[H] →H2， E （H+/ H2）=0V

酸性充氧溶液 O2+4H++4e→2H2O，E（O2/ H2O） =1.23V

中性或碱性溶液：

O2+2H2O+4e→4OH-， E（O2/ OH-）=0.40V

此外，还包括还原作用、铁离子的絮凝作用、铁盐沉淀作用等。

2 试验部分

2.1 试验材料

苯酚模拟废水：称取苯酚0.2g溶于蒸馏水，定量转移至1000mL容量瓶中，苯酚浓度为200mg/L。

铁屑：车床加工废料。

铜条：市售，纯度达到99.9%以上。

2.2 测定指标和分析方法

测定指标为苯酚，采用4-氨基安替比林分光光度法。

2.3 实验仪器

电子天平；pH计；分光光度计

2.4 试验过程

（1）称取一定重量的铁屑和铜条，置于250mL广口锥形瓶内，混合均匀。

（2）向锥形瓶内加入200ml苯酚废水。

（3）将锥形瓶放入摇床，以100r/min常温下反应90min。

（4）反应结束后，调节溶液pH值到9以上，静置，取上清液测定苯酚浓度.

3 结果和分析3.1单因素试验3.1.1 Fe投加量对去除效果的影响

设置铁铜质量比为4：1，保持原水pH不变（200mg/L的苯酚废水的pH值为6.5左右），铁屑加入量依次为5g，10g，20g，30g，40g，50g。实验结果如图1所示。

图1铁屑投加量对苯酚去除率的影响

图2铁铜质量比对苯酚去除率的影响

图3 pH值对去除效果的影响

图1表明，苯酚去除率随着Fe投加量的增加而增大。这是因为Fe投加量的增多使得体系中Fe2+增多，从而使原电池数目相应的增加，苯酚去除效果也逐渐变好。随着Fe加入量的增大，苯酚去除效率增加的趋势变缓。综合经济因素的考虑，适宜的Fe加入量取40g，即200g/L。

3.1.2 铁铜比对去除效果的影响

设置Fe投加量为40g，变量因素铁铜比通过改变Cu的用量来体现，铁铜比的取值依次为 2∶1，4∶1，6∶1，8∶1，10∶1，15∶1。结果如图2所示。

图2显示，随着铁铜比的增大，苯酚去除率先升高后降低。这是因为在铁铜比较小时，Fe的含量相对较少，体系中原电池数目较少；铁铜比的增大增加了Fe和Cu的接触面积，体系中原电池的数目增多，苯酚去除率随之增大；但是当铁铜比达到一定值以后再增大，苯酚去除率反而降低，因为此时Cu的量较少，体系中原电池数量不足。最佳铁铜比值为6∶1。

3.1.3 pH值对去除效果的影响设置Fe投加量为40g，铁铜比为6∶1，水样的pH值依次为3，5，7，9，11，13。实验结果如图3所示。从图3看出，随着pH的升高苯酚去除率逐渐降低。这是因为pH越低，铁铜形成的原电池电极电位越高，电极反应越容易进行；阳极Fe的溶出速度加快，更多的Fe2+不断补充到体系中；同时酸性越强，Fe与H+越易发生置换反应，生成更多的新生态[H]，增强系统的还原能力。综合以上原因，确定在pH为3时反应进行的最为顺利。

3.2 正交试验

以Fe投加量、铁铜比

及pH值为考察因素，以苯酚去除率为指标，作三因素三水平正交表，见表1。

在表2中，由于RC> RA> RB，所以各因素对实验结果影响的主次顺序为：pH 值>Fe投加量> 铁铜比；对于Fe投加量这一因素来说，因为K3> K2> K1，所以第3水平为最优；同理，因素B的最佳水平为第2水平，因素C为第1水平。因而本试验最优水平组合为A3B2C1。

4 结论

通过研究分析得出：

（1）在给定的水平下，三种因素对Fenton反应处理苯酚废水影响的主次顺序为：pH值>Fe投加量> 铁铜比。

（2）正交试验得出最佳因素组合为：Fe投加量为250g/L，铁铜比为6：1，pH值为3。