基于微电解法的高浓度有机化工废水处理技术

韩文婧,王萌,刘苏亭,贾玉玲

(潍坊职业学院,山东 潍坊 262737)

人类社会的工业发展与日常生活均离不开水资源,淡水资源则是水资源中与人类生活最紧密的一种。水资源在全球的时空分布极不均衡,我国的淡水资源人均占有量远低于国际平均水准,西北部地区的淡水资源又远低于东南沿海地区。工业生产导致的水资源污染又导致相当一部分淡水资源被污染,很多地区都出现了无水可用的现象。水资源短缺已经开始对我国的经济发展与日常生活造成影响,并与能源危机并列,成为新世纪面临的主要问题[1]。经大量学者研究发现,在被污染的水域中,工业污染占据绝大部分比例,尤其是有机废水的排放日益增长,这类污染物会导致水域内所有生物中毒甚至死亡。有机化工废水通常具备成分复杂、难以处理等特点,且色度大、异味大,会对生态平衡造成极大的影响。在处理有机化工废水时,可以采取微电解法。这是一种以有机废水作为电解质,通过铁和活性炭之间的电位差,构造原电池电厂,并进行氧化还原反应的一种废水处理方法。通过微电解法,可以有效地降解废水中的有机物,改变分子的发光基团,增强废水的可用性。基于微电解法,设计了一种高浓度有机化工废水处理方法。

1 实验设计

1.1 试剂与仪器

本实验中使用的化学试剂如表1所示。

表1 实验用化学试剂

除上述化学试剂外,还需要一些实验仪器,如表2所示。

表2 实验仪器

除上述大型实验设备外,实验过程中还需要准备若干玻璃仪器,如量筒、玻璃棒、胶头滴管、烧杯等。

1.2 实验反应原理

在微电解法中,一般使用还原性较强的铁与活性炭构成原电池,在氧化还原反应下,实现对有机化工废水内污染物的降解[2]。在此过程中,电极两侧的反应原理如图1所示。

图1 实验反应装置示意图

如图1所示,在电化学反应中,阳极的电极反应式主要为:

(1)

(2)

阴极的电极反应式为:

(3)

在电场的作用下,原本的废水中会排列大量的电荷,氧化还原反应则会导致有机污染物被降解。在该装置内,主要组成部分为曝气装置、氧化还原反应器以及电解质填料[3]。结合装置内的搅拌板,提高实验装置的处理效果。

1.3 实验方法

1.3.1 配置有机化工废水

在本实验中,选择某含氮有机物作为有机化工废水中的主要污染物,其分子结构如图2所示。

图2 有机废物分子结构

图2中的有机物存在易积蓄、不易降解等特点,因此将其作为实验原料。准确称量0.1 g该有机废物原料放入到烧杯中,在烧杯中添加100 mL蒸馏水,将其充分溶解[4]。然后将溶解后得到的溶液导入500 mL的容量瓶内定容,即可得到500 mL的有机化工废水。

1.3.2 制备电解质填料

在制备电解质的过程中,需要使用铁粉、活性炭、膨润土、碳酸氢钠作为原料,其中铁粉和活性炭是电解质的主要材料,膨润土为粘结剂,碳酸氢铵则是作为电解质填料的造孔剂。将这些物质按照一定的比例均匀混合,并在其中按照一定比例添加蒸馏水。电解质填料的含水量需要在14%～16%之间,保证后续步骤不会因锻造出现干燥开裂等现象。并将电解质填料的直径控制在10～12 mm之间,整体呈现出规整的原型[5]。电解质填料需要首先放置在恒温干燥箱内烘干,温度为80 ℃,时间为30 min。等到温度自然降低至室温,并将其继续转移到可编辑高温炉中,高温煅烧3 h,继续等待自然冷却。此时得到的物质即为电解质填料。

1.3.3 废水检测方法

使用单因素分析法,固定其他参数,对某一个因素进行实验,以判断最佳实验步骤。然后使用高效液相色谱仪,对剩余有机化工废水中的有机物浓度进行检测。使用C18不锈钢柱,在277 nm波长下,甲醇和乙酸的浓度为1∶1。在测定有机物的浓度时,该有机物通过紫外-可见分光光度计可以在350～500 nm之间进行分析,并确定最大吸收波长。需要确定其最大吸收波长,如图3所示。

图3 有机物紫外-可见吸收谱

通过吸收谱可知, 在波长为360 nm时,该有机物存在一个较小的吸收光谱,在波长为450 nm,该有机物的吸收光达到峰值,因此在后续的实验中,选择波长为450 nm的吸收光。在实验结束之后,称取一定质量的有机化工废水,测试溶液内被测有机物的浓度,并将试验后有机物的浓度与实验前有机物的浓度进行对比。

1.3.4 降解率计算

有机化工废水的降解率判断该微电解法对废水的作用,其计算公式为:

(3)

式中,ηk表示有机化工废水在一段时间后的降解率,单位为%;Cy表示有机化工废水中被测有机物的初始浓度;Cyt表示一段时间后有机物的浓度。通过上述公式,可以得到本实验各项参数下,高浓度有机化工废水的处理效率。

2 结果与讨论

2.1 铁碳比对废水处理效果的影响

在本实验的点机制填料中,主要的组成结构是铁粉和活性炭。二者的比例需要保证在一定的界限之内,如果活性炭含量过低,则会降低原电池的电解作用,导致废水处理效率低下,如果活性炭含量过高,则会反过来对电极产生负面作用,降低污染物的去除效果。因此需要判断二者之间的比例,得到微电解作用最强的填料配比。在获取最佳铁碳比例的过程中,将铁粉质量与活性炭质量分别设置为1∶1,2∶1,4∶1,6∶1,8∶1,10∶1,此时的膨润土和碳酸氢钠等其余物质在电解质填料中所占比例为40%,即三类物质的质量配比分别如表3所示。

表3 电解质填料中各质量配比

将上述6类电解质填料分别放在反应器皿中,向其中添加100 mL废水,并在不同时段分别取样,检测该时段有机化工废水内化学物的剩余浓度,以此判断电解质填料内铁粉与活性炭的最佳比例。

如图4所示,将电解质填料与有机化工废水放置在一起7 h后,废水的处理效率达到最大值。当铁碳比为1∶1时,废水被降解的比例约为28%,当铁碳质量比为2∶1时,废水被电解质降解的比例约为31%,当铁碳质量比为4∶1、时,降解比例为35%,当铁碳质量比分别为6∶1,8∶1,10∶1时,其被电解质填料降解的比例分别为50%,37%,45%。由此可见,当其他因素确定时,铁碳质量比为6∶1时,微电解法对高浓度有机化工废水的净化比例最高,处理效果最好。

图4 铁碳质量比对废水处理效果的影响

2.2 其他填充物质所占对废水处理效果的影响

确定电解质填料中的铁碳质量比为6∶1,且铁粉和活性炭的质量为30 g和5 g。分别设置膨润土与碳酸氢钠等其他填充物质在电解质填料中的比例为10%,20%,30%,40%,50%,60%,可得填料内各物质的质量配比如表4所示。

表4 质量配比

经由上述填料内物质的配比,配置相应的电解质填料,并将其放置在反应器皿中,并向其中添加100 mL废水。7 h后,测试有机化工废水的当前浓度,计算该电解质填料的降解比例。并判断不同比例的此类物质对废水处理效果的影响。

如图5所示,当填充物在电解质填料中的比例仅为10%时,7 h后的有机物降解比例为46%,当填充物的比例为20%时,降解比例为49%,当填充物比例为30%和60%时,降解比例分别为51%和54%,当填充物在电解质填料中的比例为40%和50%时,有机物的降解比例最高,为56%和57%。由此可见,在保证铁碳质量比为6∶1的基础上,需要将填充物质的比例设置在40%～50%之间,才能使实验中有机化工废水的降解比例达到最大,使废水的处理效果最好。

图5 其他填充物质在电解质填料中的质量比例对废水处理效果的影响

2.3 高温炉煅烧温度对废水处理效果的影响

令电解质填料中的铁碳质量比为6∶1,填充物质的比例为45%,探究可编辑高温炉的煅烧温度对废水处理效果的影响。分别设置可编辑高温炉的煅烧温度分别为150,200,250,300,350,400 ℃,并测试以上6个变量对废水处理效果的影响。

如图6所示,六个条件下的有机废水均能在7 h内达到最大降解比例。当高温炉煅烧温度为150 ℃时,有机物的降解比例为16%,当温度为200 ℃时,降解比例为24%,当煅烧温度为250 ℃和400 ℃时,降解比例分别为35%和42%,当高温炉的煅烧温度为350 ℃时,有机物的降解比例为5%。只有将高温炉的温度设置为300 ℃,实验的废水处理效果才能达到最大,约为56%。

图6 高温炉温度对废水处理效果的影响

3 结束语

设计了一种基于微电解法的高浓度有机化工废水处理方法,对其电解质基团组成成分与比例,以及实验煅烧温度进行探究,得到最佳的实验条件。通过上述废水处理方法,可以对该有机化合物污染水域进行污染处理,降低水中的有机物含量,在工程应用中具备较好的前景。在下一步的研究中,可以对其他有机物污染下的水体净化进行实验论证,并对不同阴极材料进行系统化的测试。