造孔剂改性微电解材料及性能表征

2021-09-19何威

西部皮革 2021年16期

何威

（齐齐哈尔大学轻工与纺织学院，黑龙江齐齐哈尔 161006）

铁碳微电解，又称内电解、零价铁法[1]，是一种有效的难降解有机污染物预处理技术。基本原理是利用铁屑内含有的铁和炭形成微原电池，从而将难降解有机物还原成易降解有机物[2]。本实验在原有新型微电解材料基础上，探究添加造孔剂对材料内部结构的改变情况，提高材料对废水的降解效果。加入造孔剂使得填料的表面非常粗糙，内部孔道数量增多，极大增加了填料的比表面积，提高了反应效率[3]。多数情况下，可通过调整造孔剂的参数来控制材料的最终结构和性能[4]。

1 原始新型微电解材料的改性

将铁粉、铝粉、活性炭、膨润土按质量比6∶6∶3∶5 混合，加适量水使其成粘稠状，用造粒机造粒成直径10 mm 的球体，将材料置于高温管式炉内，在流动的氮气气氛保护下，2 h 升温至800 ℃，再以800℃焙烧2 h，降至室温制得微电解材料[5]。

1.1 NaHCO3 作造孔剂成分配比筛选

NaHCO3受热易分解，可在原始材料基础上添加作为造孔剂。制备NaHCO3占材料质量分数分别为1 %，2 %，4 %，6 %，8 %（w/w）的五种微电解材料进行实验，处理PVA 模拟废水，测定出水CODCr去除率。

PVA 模拟废水进水pH=5，材料投加量为67 g/L，微电解曝气1 h，饱和曝气，出水静止一段时间后取上层液测出水CODCr，比较出水CODCr去除率。结果如图1 所示。

图1 不同NaHCO3 占比（w/w）微电解材料出水CODCr 去除率对比

如图1 所示，随着NaHCO3造孔剂比例（w/w）从1 %增大至8 %，微电解与吸附协同作用的CODCr去除率先升高后降低，NaHCO3造孔剂占比2 %时CODCr去除率达到最高的35.4 %。在扣除吸附作用后单独微电解作用对于CODCr的去除率变化趋势与两者协同作用相近，明显高于单独吸附的去除率。考虑用量因素，选取NaHCO3造孔剂比例选为2 %（w/w）。

1.2 NaHCO3 作造孔剂的改性材料与原始材料的对比

以PVA 模拟废水为实验对象，对比原始微电解材料改性前后降解PVA 模拟废水CODCr去除率的改善情况，具体出水水质如表1 所示。

表1 微电解材料改性前后降解PVA 模拟废水出水CODCr 去除率

由表1 可知，NaHCO3占比为2 %（w/w）的改进后的微电解材料微电解出水B/C 达到0.35，CODCr去除率达到35.4 %，高于改性前的0.26 和11.04 %，出水具备了一定的可生化性，由此可见改性材料可用于PVA 废水的降解，具有实际应用价值。

2 改性微电解材料的表征

2.1 改性微电解材料扫描电镜（SEM）分析

微电解材料改性前后的扫描电镜分析如图2 所示，SEM 图样放大倍数1000 倍。

图2 微电解材料改性前后扫描电镜对比图

由（a）图可见，原始材料保留了活性炭的孔隙结构，因而比表面积较高，活性位点数量众多。（b）图可见改性材料相对于前者表现出颗粒更加细碎化、分离化，彼此团聚较改性前不明显，颗粒外形比较统一，材料呈现出疏松的沟型缝道结构，得益于造孔剂的加入，既保留了原始材料较高比表面积特点，又改善了物料之间的聚集状态。

2.2 改性微电解材料X 射线衍射（XRD）分析

改性微电解材料的X 射线衍射实验结果如图3 所示。

图3 改性与原始微电解材料XRD 对照图

由图3 可知，材料加入NaHCO3作为造孔剂改性后，主要成分Fe、Al 均保留，其中Al 的特征衍射峰出现在2θ 角度为38.24°，64.88°，而铁的特征衍射峰出现在2θ 角度为44.5°。改性前后铁、铝的特征衍射峰都比较明显并且峰形尖锐，说明杂峰较少。改性后的铁、铝特征衍射峰强度均较原始材料更强。改性后在2θ 角度为26.42°处出现碳的特征衍射峰，说明改性材料铁铝碳三元微电解体系保存完整。

3 改性微电解材料与商用微电解材料的处理效果对比

采用购置的广州某企业微电解材料与改性微电解材料做对照试验，以退浆废水的混凝出水（表2）进行微电解预处理，反应完毕各水样接种来自实验室SBR 装置的污泥，经过2 日好氧曝气试验。微电解条件：曝气条件下，进水pH=5、材料投加量为465 g/L、反应60 min。微电解对照实验结果如图2 所示。

表2 退浆废水的混凝出水水质

由图4 可知，其中改性微电解材料出水的CODCr和PVA 去除率分别为48.7 %和36.8 %，而该商用微电解材料的仅为15.3 %和11.4 %，这是因为改性微电解材料所采用的是活性炭粉末、膨润土以及金属铝，同时添加造孔剂进行造孔，这些材料与传统的微电解材料相比，比表面积较大，可吸附的位点更多，对污染物的去除效果也相对更好，而且，铝的金属性比铁活泼，在原电池反应中，加强了微电解材料降解能力和适应性。改性材料优于市售效果。