铁碳体系析氢与吸氧反应过程净化废水机理的研究

文章编号:100025889(2003)022*******

铁碳体系析氢与吸氧反应过程净化废水机理的研究

张庆芳1,王有乐1,马　炜2

(1.甘肃工业大学石油化工学院,甘肃兰州　730050;2.兰州万众电子通讯有限公司,甘肃兰州　730050)

摘要:通过实验证实了析氢与吸氧反应的存在,并针对特定的废水确定了各自的最佳处理条件.同时还对析氢反应和吸氧反应各自占优势时的处理效果与两者优势相当时的处理效果进行了比较分析,认为不论是哪种反应占优势,还是两者并存,都能产生较好的处理效果,只是针对不同的废水可能应有所偏重.

关键词:铁碳体系;析氢与吸氧反应;废水处理

中图分类号:X703.1 文献标识码:A

I nvestigation of mechanism of w aste w ater decontamination with reaction of

hydrogen separation and oxygen absoption in iron2carbon system

ZHANG Qing2fang1,WANG Y ou2le1,Ma Wei2

(1.C ollege of Petrochemical T echnology,G ansu Univ.of T ech.,Lanzhou　730050,China;nzhou W anzhong E lectronic C ommunication C o Ltd,Lanzhou 730050,China)

Abstract:The existence of oxygen abs option and hydrogen separation is verified with the experiment and their several optimal treatment conditions are determined for a specially designated kind of wastewater.The treatment effects in both siteeations,where either hydrogen separation or oxygen abs option reaction has an advantage over the other as well as they are on an equality with each other,are com pared and analyzed.It is believed that a better treatment effect can be achieved with the both situations,excepting a little difference for different kinds of wastewater.

K ey w ords:iron2carbon system;reaction of hydrogen separation and oxygen abs orption;wastewater treatment

在铁碳体系(Fe2C)中充满废水可形成许多微原电池,碳的电位高,形成微阴极,铁的电位低可成为微阳极.这些微原电池可发生以下电化学反应,阳极:Fe Fe2++2e;阴极:2H++2e2[H],O2+ 2H2O+4e4OH-.其中新生态的[H]和Fe2+与废水中许多组分发生氧化还原反应,使大分子物质分解为小分子物质,难降解物质转变成易生物降解物质,起到净化废水的作用[1～4].

另外新生态的Fe2+和Fe3+具有高活性,其水解产物能形成微絮体,吸附废水中的污染物,聚结成较大的絮体沉淀:Fe2++2OH-Fe(OH)2↓,4Fe (OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3↓,同时在微电解过程中产生羟基自由基(・OH),使有机污染物

收稿日期:2002204221

基金项目:甘肃省自然科学基金(ZS0222A252024)

作者简介:张庆芳(19722),甘肃天水人,讲师,硕士生.氧化.

以上电化学反应实际上是铁碳体系中析氢和吸氧腐蚀过程所引起的,析氢过程与废水中pH值有关,吸氧过程又与废水的供气量有关,二者是微电解处理废水的关键因素,决定废水的处理效果.本文就铁碳体系的析氢和吸氧反应过程对染色废水的脱色机理及脱色效率进行了实验研究.

1　实验设计及处理工艺

1.1　染色废水的性质

原废水取自兰州一毛厂印染车间染缸中的浓脚水,其中的染料品种包括酸性、直接、阳离子、活性、分散和硫化染料等数种[5～7].色度为200倍,pH为3.4.

1.2　铁碳体系的组成

铁碳体系由铁粉和活性炭粒组成,铁碳比为2∶1

第29卷第2期2003年6月

甘　肃　工　业　大　学　学　报

Journal of G ansu University of T echnology

V ol.29N o.2

Jun.2003

(根据本次实验结果,铁碳比为2∶1时脱色率最佳).1.3　实验装置实验装置主要由贮水池、铁碳体系反应器、沉淀池组成(见图1)

.

图1　废水处理流程图

Fig.1　F low ch art of w aste w ater processing

贮水池兼高位水箱的作用,主要为满足实验所

需要的水压,同时兼作沉淀池的作用.废水在进行处理前,在池内静置沉淀,去除其中部分杂质和悬浮物,并起均和池的作用,以调节水质.铁碳体系反映器是该处理系统中的主要装置,柱内装有一定比例铁屑和碳粒.当废水自上而下流经滤剂柱后,达到脱色的目的.由于废水在反映柱内流速较快,上清液和絮凝体混杂在一起,在沉淀池内静置一定时间后,可以得到分离.

2　实验结果及讨论

2.1　析氢反应过程对染料废水的脱色效果

微电解过程中阴极放出氢气所构成的腐蚀称为

析氢腐蚀[8],该反应称为析氢反应.因为析氢腐蚀与废水pH 值密切相关,所以在不同的pH 值条件下进行脱色处理.取处理废水100ml ,投加一定量(被废水刚淹没)的铁碳混合物(Fe/C =2∶1),不进行曝气(区别于吸氧腐蚀),处理时间15min 后,取上清液,用比色法测定其脱色率.

在不同的pH 值条件下,废水在处理初期都有气泡冒出,这是因为在碳(阴极)上发生还原反应:

n H ++n e =n /2H 2

,与此同时在铁(阳极)上发生氧化反应:Fe -2e →Fe 2+.随pH 的增大,气泡的量会越来越少,这说明在整个微电解过程中析氢反应总会发生.随着pH 值的增大,溶液中H +的数量减少,相应的阴极还原产物(H 2)也会减少,因而气泡会减少.

实验发现:当pH ≤3.5时,反应液中有铁红色出现,沉淀一定时间后有黑色污泥.这主要是因为:当pH

太低(pH =1.5,2.0,3.0,3.2),[H +]则太高,过量H +进一步和溶液中的Fe ,Fe (OH )2,Fe (OH )3反应,从而浪费铁屑,破坏絮体,并产生多余的有色Fe 2+,Fe 3+,这是pH ≤3.5脱色率较低的原因.当pH

≥7时,实验中有絮状物产生,这是因为Fe

2+,Fe 3+

的水解产物通过吸附、架桥等作用将废水中胶体或胶体状物质聚集而形成的.

从废水脱色率来看,pH 值对脱色率的影响并不是单一地呈递减或递增的趋势,而是呈波浪型的.当pH =6.0时,脱色效果也较低,这主要是因为相对于pH ≤3.5来说,溶液中[H +]减少,它不利于Fe 2+的生成,同时反应液出水呈酸性(pH =6.41),也不利于Fe (OH )2,Fe (OH )3的生成,从而影响絮凝作用的发挥.当pH ≥7时,微电解的脱色效果较高,这主要是絮凝作用的结果.pH 值对脱色率的影响见图2.

图2　不供氧条件下pH 值对脱色率的影响 Fig.2　I nfluence of pH value on decolorisation

rate without oxygen supply

2.2　吸氧反应过程对染料废水的脱色效果

通过气泵在反应器底部曝气,在不同的pH 值

条件下进行处理,处理时间15min 后,取上清液,用比色法测定其脱色率,结果见图2.

实验结果与析氢反应过程脱色率相比(见图3),当pH ≥5.0时,曝气条件下脱色率均大于不曝气时的脱色率.这是因为除析氢反应外,阴极上还

图3　供氧条件下pH 值对脱色率的影响

(以3.6L/min 的速度持续供氧)

　Fig.3　I nfluence of pH value on decolorisation rate with

oxygen supply (oxygen supplyed continu ally at the rate of 3.6L/min)

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96・第2期 张庆芳等:铁碳体系析氢与吸氧反应过程净化废水机理的研究