刘 霞,卢毅明,马鲁铭
自20世纪70年代以来,零价铁在废水处理中 已得到了广泛的应用,针对一些印染废水和难降解 废水的处理,均表现出一定的处理效果[1~3]。近期 国内外对双金属体系处理难降解有机物进行了不少 研究,结果都表明,双金属体系可以明显提高反应速 率[4~7]。在Cu/Fe双金属体系的基础上首次设计出 催化铁内电解反应床,即在废铁屑上镀上铜层形成 铁镀铜反应床,该反应床有以废治废的特点。本研 究主要考察该反应床对水体中酸性红B的脱色效 果,并与滤料为铁刨花的单一铁内电解反应床的脱 色效果进行比较。
1 试验装置与分析
1.1 试验原理
催化铁内电解反应床的滤料是表面镀有不均匀 铜层的铁刨花,金属铁作为阳极提供电子,有机物在 阴极铜上获得电子得到还原,形成宏观电池,加大了 两极的电极电位差,提高电化学反应效率。 酸性红B的发色基团为偶氮基,得到电子后偶 氮双键断开,发色基团遭到破坏,水溶液颜色得到降 低,具体反应方程式如图1。
偶氮键也是很强的配 位体,能与反应过程中产生的Fe2+发生络合反应, 改变了共轭体系的电子云分布,改变了激态和激发 态的能量,络合物的颜色也随之改变。同时也降低 了铁表面Fe2+的浓度,有效降低了阳极铁的极化作 用,促进金属的电化学腐蚀,而断键后形成的有机物 可通过水解酸化工艺降解成小分子量有机物,易于 被后续好氧生物处理法利用。另外,反应产生的铁 系氢氧化物为良好的絮凝剂,可对废水中的悬浮物 以及部分溶解性有机物通过絮凝沉淀而与水分离。
1.2 试验装置与方法
催化铁内电解反应床如图2所示,该反应床为 上流式反应床,分填料区和贮泥区,体积分别为 16·8和2·5 L。填料区下设有穿孔板保证水流均匀 穿过填料,减少由于壁流而形成的水力短流。底部 的斜斗为贮泥区,反应过程中产生的沉淀在此处沉积,减少了因沉淀堆积在填料区而影响水流分布,在 贮泥区上端设置穿孔曝气管。
制备催化铁内电解反应床的铁镀铜滤料时,将 洗净后的铁刨花通过液压机压制成型,形成单元化 滤料,如图3所示,该铁刨花材质为合金钢35CrMo, 宽约6 mm,厚约1 mm。再将其浸入硫酸铜溶液,使 其表面置换生成不均匀的单质铜层,形成铁镀铜单 元化滤料,铜层不应将铁刨花表面完全覆盖,生成铜 层与铁刨花质量比为0·3%,该种铁镀铜滤料便于 在实际工程中装卸与运输,且硫酸铜的消耗量较低, 铁镀铜单元化滤料中每吨铁刨花镀铜需用硫酸铜 7·5 kg。试验中,同时采用单一铁内电解反应床进 行试验,其滤料为单一的铁刨花,与催化铁内电解反 应床的脱色效果进行对比。
刘 霞,卢毅明,马鲁铭
自20世纪70年代以来,零价铁在废水处理中 已得到了广泛的应用,针对一些印染废水和难降解 废水的处理,均表现出一定的处理效果[1~3]。近期 国内外对双金属体系处理难降解有机物进行了不少 研究,结果都表明,双金属体系可以明显提高反应速 率[4~7]。在Cu/Fe双金属体系的基础上首次设计出 催化铁内电解反应床,即在废铁屑上镀上铜层形成 铁镀铜反应床,该反应床有以废治废的特点。本研 究主要考察该反应床对水体中酸性红B的脱色效 果,并与滤料为铁刨花的单一铁内电解反应床的脱 色效果进行比较。
1 试验装置与分析
1.1 试验原理
催化铁内电解反应床的滤料是表面镀有不均匀 铜层的铁刨花,金属铁作为阳极提供电子,有机物在 阴极铜上获得电子得到还原,形成宏观电池,加大了 两极的电极电位差,提高电化学反应效率。 酸性红B的发色基团为偶氮基,得到电子后偶 氮双键断开,发色基团遭到破坏,水溶液颜色得到降 低,具体反应方程式如图1。
偶氮键也是很强的配 位体,能与反应过程中产生的Fe2+发生络合反应, 改变了共轭体系的电子云分布,改变了激态和激发 态的能量,络合物的颜色也随之改变。同时也降低 了铁表面Fe2+的浓度,有效降低了阳极铁的极化作 用,促进金属的电化学腐蚀,而断键后形成的有机物 可通过水解酸化工艺降解成小分子量有机物,易于 被后续好氧生物处理法利用。另外,反应产生的铁 系氢氧化物为良好的絮凝剂,可对废水中的悬浮物 以及部分溶解性有机物通过絮凝沉淀而与水分离。
1.2 试验装置与方法
催化铁内电解反应床如图2所示,该反应床为 上流式反应床,分填料区和贮泥区,体积分别为 16·8和2·5 L。填料区下设有穿孔板保证水流均匀 穿过填料,减少由于壁流而形成的水力短流。底部 的斜斗为贮泥区,反应过程中产生的沉淀在此处沉积,减少了因沉淀堆积在填料区而影响水流分布,在 贮泥区上端设置穿孔曝气管。
制备催化铁内电解反应床的铁镀铜滤料时,将 洗净后的铁刨花通过液压机压制成型,形成单元化 滤料,如图3所示,该铁刨花材质为合金钢35CrMo, 宽约6 mm,厚约1 mm。再将其浸入硫酸铜溶液,使 其表面置换生成不均匀的单质铜层,形成铁镀铜单 元化滤料,铜层不应将铁刨花表面完全覆盖,生成铜 层与铁刨花质量比为0·3%,该种铁镀铜滤料便于 在实际工程中装卸与运输,且硫酸铜的消耗量较低, 铁镀铜单元化滤料中每吨铁刨花镀铜需用硫酸铜 7·5 kg。试验中,同时采用单一铁内电解反应床进 行试验,其滤料为单一的铁刨花,与催化铁内电解反 应床的脱色效果进行对比。
小试采用连续流方式,进水流量为8·4 L/h,进 水DO为3·5 mg/L,在反应床内水力停留时间2 h, 出水设置回流泵,需要时可将部分出水回流至进水, 每天连续运行8 h。 试验选取100 mg/L的酸性红B溶液为脱色对 象,采用吸光度法测定进出水溶液中酸性红B的浓 度,每次试验完成后测定出水中总铁与铜的含量,试 验最终结束后测定泥的总质量以及其中铜的含量。
1.3 分析方法
总铁:邻菲罗啉分光光度法; 铜:二乙氨基二硫代甲酸钠萃取光度法。
2 结果与讨论
2. 1 不曝气时反应床对酸性红B的脱色效果
图4为将2套反应床中的回流泵与曝气机关 闭,由于单一铁滤料体系与铁镀铜滤料体系对进水 pH值的范围要求较宽,约4~9均可,考虑到实际印 染废水的pH一般为中性,为了便于今后的工程应 用,故试验取中性条件进行。试验在pH值为7·2, 出水DO为0·5 mg/L的条件下,对比2套反应床对 酸性红B的脱色效果。
由图4可知,铁镀铜滤料体系与单一铁滤料体 系分别运行13 d,总体而言,前者的脱色效果好于后 者,前者对酸性红B的平均脱色率达到66·6%,后 者的平均脱色率仅为51·4%。金属铜是不均匀地 镀在铁刨花表面,形成了“大阴极和小阳极”的形 式,增加了有效反应区域,加速了阳极铁的腐蚀,同 时减弱了阴极上的电流密度,进而降低了阴极极化 效应,提高了双金属的电极电位差,加速了酸性红B 被还原的速率。对于表面干净的单一铁内电解体 系,反应过程中缺少宏观阴极,铁腐蚀速度相对较 慢,提供的电子数少,导致单一铁体系对酸性红B 的脱色效率降低。
2. 2 初始pH值对反应床脱色效果的影响
采用H2SO4与NaOH调节进水pH值,将2套 反应床中的回流泵与曝气机关闭,出水DO均为 0·5 mg/L。
