微电解法处理麦草浆CEH漂白废水

Posted 2023-01-12 铁屑

篇首语：青年是学习智慧的时期，中年是付诸实践的时期。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了微电解法处理麦草浆CEH漂白废水相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

采用微电解技术处理麦草浆CEH漂白废水，通过单因素实验和正交试验确定了最佳反应条件：在pH值为4、炭铁质量比为0.5、反应时间为0.5h、铁屑用量为50g.L-1的条件下，处理后废水CODCr去除率近80%，色度去除率可达95%，出水水质得到很大程度的改善。最后应用红外光谱分析了木素结构的变化，进一步说明微电解法的处理效果。
浆料在漂白过程中排出的废水，含有漂白段的残余漂剂、氯化有机物及其他难处理副产物。这些化合物的生物降解很慢，生化处理效果较差，利用传统的生物氧化处理技术，不能有效地去除漂白废水中的高分子氯代有机物和着色物质。常规的混凝和生化处理对漂白废水的脱色效果不大；白腐菌虽可降解木素，但含氯漂白废水中的Cl-对白腐菌有显著的抑制作用；高级氧化法能够产生强氧化性的羟基自由基，但存在电耗或药耗过高等问题。因此，有必要开发一种高效低耗的氧化工艺。
微电解技术，又称为铁炭法、铁屑法、内电解、铁还原等，是基于金属腐蚀溶解的电化学反应原理，依靠在废水中形成微电池的电极反应而使废水净化。铁炭微电解反应存在以电化学为主的多种作用途径，通过电场作用使带电的胶体粒子脱稳聚集而沉降和新生态的中间产物通过氧化、还原、吸附和混凝等多种作用降解废水中的污染物[3，4]。该工艺的原料来自机械工业切削加工的废弃物——废铁屑，成本低廉，操作简便，无需消耗电力资源，具有“以废治废"的意义。
1.实验
1.1材料
试剂：活性炭(颗粒)，废铁屑；H2SO4和NaOH为分析纯。废水：实验室自制的CEH三段漂废水。称取30g绝干浆料置于1000mL烧杯中，根据CEH漂白工艺条件，分别加入漂白补充的水，待恒温水浴锅温度达到要求时，将体系调节到适宜的pH，然后加入定量的药剂，每10min搅拌一次浆料，反应一段时间后将浆料稀释到2%的浓度，把烧杯中的浆料全部转移至塑料网洗浆器中，挤出漂白废水放入烧杯1中。再用相同的操作进行E段和H段漂白，用烧杯1中漂白废水逆流洗涤E段和H段漂后浆料，收集所得废水备实验使用。该水质指标见表1所示。

1.2实验步骤
量取100mL漂白废水置于烧杯中，调节pH值，加入定量的铸铁屑和活性炭，在磁力搅拌下进行微电解反应。反应一段时间后过滤反应液，取其上清液进行检测。
1.3检测分析
COD测定采用GB11914-1989重铬酸钾法；色度测定采用GB11903-1989稀释倍数法；红外光谱图采用VECTOR-22型号的傅里叶变换红外光谱仪。
2.1微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的正交实验
研究各因素对漂白废水处理效果的影响次序和最佳反应条件。由pH、炭铁质量比、反应时间和铁屑用量来设计一个4因素3水平正交试验，并确定反应的最佳条件。正交试验的设计和结果见表2。

由表2可知，在微电解法处理漂白废水中，
(1)从极差大小可见影响CODCr去除效果的各因素主次顺序为：RpH>R炭铁质量比>R铁屑用量>R反应时间，对废水的CODCr去除效果的最佳工艺条件是pH值2、炭铁质量比0.5、铁屑用量20g、反应时间0.5h；
(2)从极差大小可见影响色度去除效果的各因素主次顺序为：RpH>R铁屑用量>R反应时间>R炭铁质量比，对废水的色度去除效果的最佳工艺条件是pH值为2、铁屑用量为20g、反应时间为1h、炭铁质量比为0。
由于铁屑用量这一因素的水平1和3对结果影响不大，考虑到实际操作中铁屑用量大成本高，且经一段时间的运行后，铁屑易结块和起锈，降低处理效果，则铁屑用量取水平1。从去除色度和CODCr综合考虑，微电解法处理该漂白废水的最佳条件为pH值为2、炭铁质量比为0.5、反应时间为0.5h、铁屑用量为1g。
2.2pH对微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的影响在炭铁质量比为0.5、反应时间为0.5h、铁屑用量为1g时，通过改变pH来确定反应体系的最佳环境。pH对麦草浆CEH漂白废水色度和CODCr去除率的影响见图1。

由图1可知，随着pH的提高CODCr的去除率先增加后减小，pH为4时，CODCr的去除率最高；pH为4或者10时，色度去除率较高。当pH值小于4时，铁屑的用量会增加，反应体系中溶解铁含量增高，影响出水水质，且较小的pH值会增加酸的加入量，增加运行成本；pH为4时，在充氧条件下电极电位E°最大，反应速度增加，通过电场作用使带电的胶体粒子脱稳聚集而沉降，新生态的[H]和Fe2+能与废水中的许多组分发生还原作用，破坏废水中的发色或助色基团使废水脱色；碱性条件可使反应液中的Fe2+和Fe3+变成氢氧化物的絮状沉淀，其吸附能力很强，废水中的悬浮或胶体态的微小颗粒及有机高分子均可被其吸附凝聚，进一步降低废水的色度。本实验所用废水pH值为4.12，适合于直接流入反应池进行处理，因而进水pH值可以不用调节。
2.3炭铁质量比对微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的影响
在pH值为4、反应时间为0.5h、铁屑用量为1g时，通过调节炭铁质量比来确定炭铁的最佳配比。炭铁质量比对微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的影响见图2。

由图2可知，随着炭铁质量比的增加，色度和CODCr去除率均先增加后变化趋势趋于平稳。当单独用铁屑也具有脱色效果，但不及两者混合效果好；随着炭用量的增加，处理效果明显较好，原因是加入炭一方面可以防止铁屑在废水处理过程中出现结垢现象，另一方面是利用铁屑与活性炭形成较大的原电池，使铁屑在受到微原电池腐蚀的基础上，又受到较大原电池的腐蚀，从而可以充分利用它们的氧化还原、混凝、絮凝、电泳和吸附等综合作用；但炭用量过大时，反应体系接近反应平衡，去除率变化趋势不显著。因此，炭铁质量比为0.5时，色度和CODCr的去除率的效果较好。
2.4铁屑用量对微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的影响
在pH值为4、炭铁质量比为0.5、反应时间为0.5h时，通过调节铁屑的质量来确定铁屑的最佳用量。铁屑用量对微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的影响见图3。

由3可知，随着铁屑投加量的增加，色度和CODCr的去除率变化趋势基本一致，先增加后减少再增加。随着铸铁屑投加量的增加，体系内原电池的数量也相应增多，反应速度加快，使得色度和CODCr的去除率增加；当铸铁屑投加量超过一定值后，会降低原电池的腐蚀作用，从而导致色度和CODCr的去除率的降低；但当铸铁屑投加量大量增加时，色度和CODCr的去除率又会提高，因为大量铁屑和依比例增多的活性炭的投加会使铁屑和活性炭的物理吸附作用占主导因素。因此，考虑到实际操作中铁屑用量大时，经一段时间的运行后，铁屑易结块，大大降低处理效果，且从成本方面考虑，取铁屑最佳用量为5g。
2.5反应时间对微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的影响
在pH值为4、炭铁质量比为0.5、铁屑用量为5g时，通过改变反应时间来确定反应体系的最佳反应时间。反应时间对微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的影响见图4。

由图4可知，随着反应时间的延长，CODCr的去除率提高，但色度的去除率降低。废水在反应池内停留时间长短决定了其微电解反应时间的长短，反应时间越长，氧化还原作用越彻底，CODCr的去除率越高；当超过0.5h后，CODCr的去除率提高并不显著，且色度又有下降的趋势，这是因为过长时间会使铁的溶出量大量增加，从而使沉淀后的澄清液里含有Fe2+，在空气中容易氧化成为Fe3+，造成“返色"现象。因此，反应时间为0.5h时，色度和CODCr的去除率的效果较好。
2.6红外光谱图对微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的分析
麦草浆CEH漂白废水红外光谱图见图5。在炭铁质量比为0.5、反应时间为0.5h、铁屑用量为5g，pH为4时，微电解法处理麦草浆CEH漂白废水的红外光谱图见图6。

漂白废水溶出的木素降解物及其衍生物是色度和CODCr产生的主要来源，通过红外光谱分析木素结构的变化可以进一步说明微电解法的处理效果。由图5和图6可知，波数为3420cm-1的吸收峰是由氢键连接的羟基伸缩振动产生的。处理前，谱图中有明显的木素苯环特征吸收峰，如波数为1634cm-1和1401cm-1的吸收峰是芳环骨架振动产生的，波数为1125cm-1和975cm-1的吸收峰是由芳环上C-H平面变形产生的，这些峰在微电解处理后都变得弱而宽。处理后，-HC=CH-的面外弯曲振动970cm-1吸收峰基本消失，而出现的1635cm-1吸收峰表明有羟基生成。这些说明了在微电解过程中氧化作用导致木素芳环的减少和羟基的增加，即芳环可发生开环反应，发色基团的破坏是微电解法对废水有效脱色的重要原因。
3.结论
(1)微电解法可以有效地处理麦草浆CEH漂白废水，对CODCr的去除率近80%，色度去除率可达95%。铁炭微电解反应利用了机械加工过程产生的成本低廉的废铁屑，具有“以废治废"的特点，运行费用低，反应过程操作简便，值得应用推广。
(2)通过单因素实验和正交试验确定了最佳反应条件是：pH值为4、炭铁质量比为0.5、反应时间为0.5h、铁屑用量为50g.L-1。
(3)红外光谱分析结果表明，微电解法可以通过氧化、还原、吸附和混凝等共同作用，可以有效地降解麦草浆CEH漂白废水中的污染物。