《武汉工程大学学报》 2009年09期
35-37
出版日期：2009-09-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
活性炭载Fe2+三维电极法处理染料废水
0引言染料废水的处理一直是令人困扰的问题，这类废水有机物含量中等，但生物难降解组分多，可生化性差，而且色度高.采用Fenton法处理染料废水，与一般生化法相比，具有效果好、设备简单等优点，因而成为近年来的研究热点之一.普通Fenton法存在2个缺点［1］：一是不能充分矿化有机物；二是运行时需消耗大量H2O2，且利用率不高.为此，人们转向类Fenton法的研究，如光Fenton法和电Fenton法等.电Fenton法的实质［2］是把用电化学法产生的Fe2+与H2O2作为Fenton法的持续来源.它与光Fenton法相比有以下优点［3］：a.自动产生H2O2的机制较完善；b.导致有机物降解的因素多，除羟自由基·OH的氧化作用外，还有阳极氧化和电吸附等.在传统的电生成Fenton试剂体系中，通常以铁作阳极［4］，在电解过程中有大量的铁溶出，造成铁的浪费和二次污染.本试验用活性炭AC吸附Fe2+作催化剂（Fe/AC）取代电生Fe2+的方法，并形成三维电极体系，将电Fenton法和三维电极法相结合研究这种耦合法对模拟酸性大红废水的降解效果，通过调控投加载铁活性炭的量使Fe2+的催化功能最优化.1实验准备1.1实验材料a.主要实验药品：重铬酸钾、硫酸亚铁、无水硫酸钠（以上均为分析纯AR）；模拟水样为500mg/L的酸性大红溶液，酸性大红为市售产品.b.活性炭载Fe2+催化剂制备方法.称取一定量的椰壳活性炭，用0.5 mol/L NaOH溶液浸泡24 h，蒸馏水浸泡、洗涤至中性；再用1 mol/L盐酸浸泡24 h后，用蒸馏水浸泡、洗涤至中性.静置过滤后置于110 ℃烘箱中烘干，将烘干后的活性炭在一定浓度的FeSO4溶液中浸泡一段时间，然后取出活性炭，在110 ℃烘箱中烘干，转移至自制管式炉中，在设定温度下焙烧一段时间，取出在室温下老化5 h后备用［5］.1.2实验装置与方法本实验采用无隔膜式有机玻璃电解槽，阳极采用RuO2Ti，阴极用钢板，电极有效面积142.8 cm2，极间距为3 cm.恒流泵回流，砂芯曝气.电解槽中投加无水硫酸钠以提高溶液的导电性.试验装置为自行设计，具体如图1所示.图1试验装置及水循环图
Fig.1Experimental equipment and circulation of water通过传统二维电解实验，获得一组最佳实验条件为：电解水样200 mL，电压10 V，前曝气15 min，电解时间90 min，pH=4，电解质投加量2.0 g，温度25 ℃.本实验通过向电解槽中投加一定量的活性炭催化剂，形成三维电极体系，对酸性大红废水进行降解.电解前，预曝气15 min，调节各实验条件至最佳，测样品COD及其吸光度.UVVis扫描结果表明，酸性大红最大吸收波长为510 nm.1.3结果测试COD测定采用快速消解分光光度法（HJ/T 399-2007）；吸光度采用722E型分光光度计测定.2结果及分析
2.1载Fe2+活性炭充填量对比通过改变活性炭投加量，研究活性炭的加入量对酸性大红降解效果的影响.实验结果如图2～3所示.图2活性炭的加入量对COD去除效果对比图
Fig.2Influence of AC amount on COD removal rate图3活性炭的加入量对脱色效果对比图
Fig.3Influence of AC amount on chroma removal rate从图2、图3中可以看出随着活性炭投加量的增大，无论是从脱色率还是COD去除率都有显著提高，只是50 g载铁活性炭吸光度测试结果较差，原因是椰壳活性炭在使用过程中会有一定的磨损，加之填充量较大，会使电解槽中部分电解沉淀物以及少量细颗粒炭黑悬浮于水样中，最终导致吸光度整体测试结果偏高，使脱色率表现为30 g>20 g>10 g>50 g.观察前曝气15 min时水质指标变化，可看出，活性炭吸附对于酸性大红降解有相对明显的作用，并随活性炭投加量的增加COD去除率及脱色率都有一定程度的提高.总体而言，加大活性炭的投入量在一定程度上有助于提高COD去除率和脱色率，但是投加量过大，会使水处理成本增加，所以，应根据电解槽的大小及形状选取合适的炭水比，本实验选用20 g载Fe2+活性炭作为粒子电极.第9期魏毅，等：活性炭载Fe2+三维电极法处理染料废水
武汉工程大学学报第31卷
2.2三种电解模式处理效果分析本实验通过向电解槽中分别投加预处理活性炭和载Fe2+活性炭，用以改变电解模式，并分析比较其对酸性大红废水处理效果的影响.活性炭投加量为20 g，COD去除率及脱色效果见图4～5.图4三种电解模式COD去除效果对比图
Fig.4Influence of electrolysis mode on COD removal rate图5三种电解模式脱色效果对比图
Fig.5Influence of electrolysis mode on chroma removal rate由图4可知，90 min时Fe/AC三维电极法COD去除率达到83.9%，明显优于普通三维电解（71.8%）及传统二维电解效果（42.6%）.Fe/AC三维电极法通过砂芯曝气带入的溶解O2和电解产生O2在阴极上发生还原反应产生活性H2O2，并在粒子电极的作用下，与活性炭吸附的Fe2+发生以下反应：Fe2++ H2O2→Fe3++OH-+OH·OH·氧化能力极强，反应体系中的有机物在OH·的作用下，发生快速氧化反应及自由基链反应，使废水中COD得以去除，反应机理为Fenton试剂反应，即电解产生的H2O2同活性炭上吸附的Fe发生的催化氧化反应，产生羟基自由基.从图5可以看出，30 min前，Fe/AC三维电极法脱色速度率快，30 min～90 min载Fe/AC三维电极法同普通三维电极法电解脱色速率相当，并均优于传统二维电极脱色速率.这与Fenton试剂反应特点吻合，即20 min～30 min内COD去除率迅速增大，然后增幅渐缓，逐渐趋于最大值.90 min时三种模式脱色率均达到95%以上，处理效果较好.
2.3载Fe2+活性炭使用寿命分析本论文进行了Fe/AC三维电极反应装置的重复运行的实验.根据废水的COD及吸光度来判断催化剂的可重复利用性，实验结果如图6～7.图6活性炭使用次数对COD去除率的影响
Fig.6Influence of used time of AC on COD removal rate图7活性炭使用次数对脱色率的影响
Fig.7Influence of used time of AC on chroma removal rate由图6可以看出，载Fe/AC三维电极电解处理酸性大红废水的效果不是很稳定，随着催化剂使用次数的增加，COD去除率呈现出明显下降趋势.最初使用时，COD去除率较高，主要原因是活性炭负载的Fe与电解过程中产生的H2O2发生Fenton反应，而且活性炭本身就具有较大的比表面积和孔隙率，其吸附能力比较强.由于填充粒子每次处理废水后未进行清洗，直接进入下次运行，因此，经多次运行后，部分活性炭粒子失去活性，Fe2+也出现丢失，同时电解过程中生成的副产物覆盖在粒子电极表面，微孔被堵塞，减少工作电极的表面积，也阻碍了羟基自由基或过氧化氢等活性物种在电极表面的产生.从图7可看出，在载Fe2+活性炭使用过程中，随着活性炭使用次数的增多，脱色率略有降低，但不明显，使用20次后，仍有95%以上的降解率.3结语a. 与普通三维电极和二维电极相比，活性炭载Fe2+三维电极法处理酸性大红废水效果最优，COD去除率和脱色率分别达83.9%、98.1%.该方法表现出良好的三维电极、Fenton试剂和吸附的协同效应.b. 大幅度提高载Fe2+活性炭使用稳定性和寿命，以及再生利用的方式是活性炭载Fe2+三维电极法下阶段研究的重点.