铁碳微电解法处理含砷废水工艺研究

2023-08-21段铭诚

云南化工 2023年8期

段铭诚，张洪

(红河砷业有限责任公司，云南个旧 61000)

铁碳微电解法是在电解质溶液中铁-碳间形成的微电池效应对废水进行处理的一种电化学技术，又称内电解法、零价铁法、铁屑过滤法、铁碳法[1]。它是利用废水中填充的微电解材料自身微电池效应产生的 1.2 V 电位差，对废水进行电解沉砷处理的一种电解工艺。在系统通水后，形成空间型电场的无数微电池系统就会在电解塔内部形成，能与废水中的污染物组分发生复杂的物理-化学反应，如微电池效应产生的新生态[H]+、Fe2+等。生成的Fe2+被进一步氧化为Fe3+，可与大部分重金属离子形成络合沉淀，它们的水合物具有很强的吸附絮凝活性。尤其是生成的氢氧化亚铁和氢氧化铁胶体絮凝剂，吸附能力比一般药剂水解后得到的氢氧化铁胶体要高得多，对分散在水中的微小颗粒、有机大分子和金属微粒都可以大量吸附。它的工作原理是将废水的砷转移至电化学、氧化-还原、物理吸附和絮凝沉淀的综合作用上。该法适用范围广，处理效果好，操作维护方便，占用资源少，且处理费用低，原料来源广泛[2]。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

硫酸(98%)，铁碳填料(3 cm×1 cm 扁圆形)。

仪器：空压机(V-0.67/7型)，微电解塔(非标定制)，精密过滤器(Φ250×1450)。

1.2 试验物料

GB8978-1996污染物最高允许排放浓度指标与含砷废水性质对比如表1所示。

表1 GB8978-1996与含砷废水对比指标表 mg/L

从表1看出，含砷废水中总砷质量浓度超过 0.5 mg/L，其他的指标含量均满足标准。

1.3 试验原理

当铁碳填料通入含砷废水(充当电解质溶液)中时，由于铁和碳之间的氧化还原电位差存在较大差异，从而在铁和碳之间形成无数个细微原电池(铁充当阳极，碳充当阴极的铁碳原电池)[3]，如图1。

图1 微电解反应示意图

主要发生如下反应

阳极：

(1)

(2)

(3)

鼓入空气时，阴极反应方程式如下：

(4)

(5)

砷沉淀反应如下：

(6)

(7)

同时存在的反应:

(8)

(9)

1.4 工艺流程

铁碳微电解处理含砷废水的工艺流程如图2所示。

图2 微电解处理含砷废水工艺示意图

2 结果与讨论

2.1 pH值、停留时间对除砷效果的影响

微电解塔加入铁碳填料 220 kg，调节含砷废水pH值分别成6和2，通入含砷废水停留时间为0.5～2 h，结果如表2所示。

表2 不同pH除砷结果

由表2看出，pH值为6时，除砷过程中原电池一开始反应较充分，脱砷效果好；随着试验的开展，生成的氢氧化亚铁、氢氧化铁以及砷铁化合物等会在铁碳填料表面覆盖，阻碍了进一步电化学反应，从而对后续砷的去除效果产生不利影响。当pH值为2时，铁碳材料除砷效率基本一致，重现性较好，且3次试验中曝气 2 h 出水的砷质量浓度已经降到 0.5 mg/L 以下。因此宜调整为pH值2的含砷废水进行微电解除砷处理。

2.2 液固比对除砷效果的影响

含砷废水 110 L，pH值调成2，分别加入 55.41 kg、110.82 kg 和 221.64 kg 铁碳填料，液固比分别为：2∶1、1∶1、1∶2 L/kg，试验结果如表3所示。

表3 不同液固比除砷结果

从表3看出，当加入的填料比增多时，原电池在相同处理时间内发生反应产生足够多的铁离子和氢氧根离子，沉砷反应更快；液固比为1∶2 L/kg时，处理效果和处理效率均最好，曝气 2 h 后出水砷质量浓度降到 0.25 mg/L，所以微电解处理含砷废水较佳液固比为1∶2 L/kg。

2.3 两级间歇式微电解对除砷效果的影响

含砷废水 110 L，加入 221.64 kg 铁碳填料，进水pH值为2，停留时间 2 h，试验结果如表4所示。

表4 两级间歇式微电解试验结果

由表4可知，两级间歇式微电解工艺可将废水中砷的质量浓度，最优从 43.2 mg/L 降至小于 0.02 mg/L，远低于 0.5 mg/L 的水质要求，且处理效果稳定，未出现铁碳填料“覆膜”现象。

2.4 三级连续式微电解对除砷效果的影响

原水砷质量浓度 340 mg/L，铁碳填料量 220 kg，进水pH值为2，原水流量60～70 L/h，一级微电解塔连续进水，从上溢流口出水，两个微电解塔中间连接一个精密过滤器，经过上一级出水过滤后，滤液采取连续滴加硫酸的方式调节pH值后进入下一级微电解塔，实现从第一级进水到第三级出水的连续进出水过程，结果如表5所示。