复合Fe0/C微电解填料制备及其应用概述

张燕?刘大伟 陈瑶 甘琦 于洋

摘 要 微电解技术是在没有通电的情况下，利用铁碳等微电解材料在废水中形成闭合回路，以此产生电位差来处理废水，降解有机污染物，从而达到环保的目的。目前，微电解已经在我国的化工、制药、印染等工业废水的处理方面得到了广泛的应用。本研究主要是对复合Fe0/C微电解填料的制备进行分析，并探讨其在丙烯腈废水处理方面的应用可能性。

关键詞 微电解;丙烯腈;废水;复合Fe0/C

随着化工行业的发展，丙烯腈作为一种重要的化工原材料得到了广泛的应用，但是因为其生产过程中所产生的丙烯腈废水属于高浓度难降解的有机废水，且含有非常高的盐分含量和有机质，组成十分复杂，因此处理难度较大。丙烯腈废水中含有的丙烯腈等腈类物质及其低聚物或共聚物是降解难度非常大的污染物。而对于该类废水的处理方法主要有电压水解生化处理法和焚烧法，但是这些方法具有成本高、二次污染、耗能大等问题。

微电解技术也被称为内电解法，是利用铁、碳等在污水中形成闭合回路，从而形成无数的微型原电池，发生电化学腐蚀反应[1]。这一过程会出现电子转移，导致污水中的污染物发生氧化还原反应，破坏污染物的结构，最终达到处理污水的目的。该工艺于20世纪70年代在发达国家开始用于污水处理，于80年代引入我国[2]。经过我国研究人员近些年的不断研究，微电解技术因其运行成本低廉、管理维护简单等优势而在化工、制药、印染等行业的工业废水处理和预处理中得到了广泛的应用[3]。基于此，制备复合Fe0/C微电解填料，并探究其在丙烯腈废水处理中的应用效果。

烧结型Fe0/C复合材料主要是利用烧结工艺，来实现阴极和阳极一体化的一种Fe0/C微电解填料。由于铁粉和活性炭的黏结性较差，很难单独滚制成型，因此可以在烧制过程中添加适量黏土。这是因为黏土中含有大量的SiO2和Al2O3，且含量之和大于80%，经过高温烧结之后，可以作为骨架，用来支撑Fe和C[4]。一般烧制过程中，黏土含量为60%，为了探究复合材料的最佳制备工艺，需要对Fe/C质量比、烧结温度、烧结时间等参数进行探究。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

试验所用仪器请标明型号及生产厂家，药品请注明纯度（色谱纯、分析纯、化学纯）和生产厂家。

1.2 烧结型复合Fe0/C微电解填料的制备

（1）确定Fe/C质量比

在烧结温度600 ℃、烧结时间30 min、黏土含量为60%的条件下，选择5∶1、4：1、3∶1、2∶1、1∶1这5种不同的Fe/C质量比制得复合材料，并对模拟废水实施降解实验。

（2）确定烧结温度

按照“1.2.1”得出的Fe0/C原料配比，制备出生料球，并将所有的生料球平均分为4份，分别在1 000 ℃、800 ℃、600 ℃、400 ℃烧结30 min。对于已经成型后的复合材料的强度性能进行测量。

（3）确定烧结时间

以上述最佳材料配比和最佳烧结温度为依据，滚制出一批生料球，平均分成3份，在温度为700℃缺氧的条件下，分别烧制15min、30min、45min，对于成型后复合材料的强度性能进行测量。

1.3 复合Fe0/C微电解填料在丙烯腈废水处理中的应用

应用烧结型复合Fe0/C材料作为微电解填料，探究其应用在丙烯腈废水处理中的影响因素，如pH、HRT以及曝气强度。

2 结果与分析

2.1 Fe0/C微电解填料的最佳制备工艺

（1）Fe/C质量比

经检验发现，Fe/C质量比最佳的比例为4∶1，即铁粉32%、粘土60%、活性炭8%是制备Fe0/C复合材料的最佳配比。

（2）烧结温度

表1为烧结型Fe0/C复合材料的强度与烧结温度之间的关系。在400 ℃烧结温度下，复合材料强度较低，经浸泡后易破碎，不适合使用;随着烧结温度的逐渐提升，SiO2和Al203形成的骨架结构更加坚固、密实，因此复合材料的强度也得到了增大;当烧结温度达到1000 ℃时，黏土内部气孔会大量消失，其硬度也变得极为坚固。由于过于坚固的复合材料在进行水处理时，表面难以脱落更新，会影响材料处理废水的时间，降低使用寿命[5]，加上烧结温度过高会导致能源消耗增加，因此烧结温度设定为600～800 ℃为最佳。

（3）烧结时间

（4）Fe0/C微电解填料性质参数

表3所示为最佳制备工艺下烧结型复合Fe0/C微电解材料的具体性质参数。堆积密度为997.2 kg/m3，颗粒密度为1 675.0 kg/m3，可以将其视为轻集料，较小的堆积密度和较大的空隙率能够使其在处理污水过程中提供良好的水利条件，延缓填料的板结失效时间，同时还有利于开展反冲洗。

（1）废水初始pH对于处理效果的影响

在微电解工艺中，pH值是一个非常重要的参数。本研究通过测定Zeta电位，了解到在酸性条件下，复合材料的表面呈电负性。溶液中H+浓度在静电力的作用下，会被吸附到复合材料的表面，得到电子，然后转化为可以同丙烯腈产生反应的还原[H]。在溶液pH上升的过程中，复合材料表面的Zeta电位会下降，材料表面对于H+的静电力增强，但是如果pH过高，溶液中的H+几乎不存在。所以，H+是微电解反应中降解丙烯腈效果的一个重要因素。结果显示，使用烧结型Fe0/C复合材料处理丙烯腈废水的最适pH为3。

（2）HRT对于废水处理效果的影响

在微电解工艺中，随着HRT的增加，丙烯腈的去除率在不断地提高，当从0.5h上升到6h，去除率会显著提高。但是，从6h增加到12h，丙烯腈的去除率无太大变化。这是因为丙烯腈在4～6h的HRT条件下被去除，当HRT继续增加，反应器内废水的pH值会上升，甚至达到7。此时微电解反应会减弱甚至停止，因此废水的丙烯腈去除率不再增加。所以，微电解反应器的最佳HRT为6h。

（3）曝气对于废水处理效果的影响

在3种不同曝气量下处理丙烯腈废水，发现与不曝气相比，曝气能够在反应器内提供一个氧化环境，从而使污染物被氧化分解。同时，曝气还可以将Fe2+氧化为絮凝作用更强的Fe（OH）3，使得污染物的去除率得到提高。因此，应在处理废水过程中增加曝气装置，曝气量设定为0.2 L/min。

3 结束语

应用烧结型复合材料Fe0/C作为微电解材料来进行丙烯腈的废水处理，可以得到良好的处理效果，并且在连续进行处理的过程中，水质非常稳定，填料也没有出现板结的现象，因此可以考虑将该材料应用于其他类似工业废水的处理中。

参考文献

[1] 郑智波，陈治鑫.新型铁碳微电解填料的制备及其在印染废水的处理研究[J].广东化工，2018，45（2）：46-47，28.

[2] 唐琼瑶，黄磊，刘浩，等.铜渣制备微电解填料及其处理甲基橙废水的研究[J].金属矿山，2018，（1）：183-186.

[3] 邹成龙，姜伟，梁吉艳，等.铁锌碳三元微电解填料的制备及性能研究[J].工业安全与环保，2017，43（4）：76-79.

[4] 陈骁，漆新华.铁碳微电解填料制备及其对亚甲基蓝的降解[J].环境工程学报，2017，11（4）：2041-2046.

[5] 黄德毅.复合Fe0/C微电解填料的制备及其应用于丙烯腈废水处理的研究[D].济南：山东大学，2015.

作者简介

张燕（1990-），女，江苏赣榆人;学历：本科，助理工程师，现就职单位：连云港豪瑞生物技术有限公司，研究方向：微生物菌种筛选与培养。