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Fenton-活性炭联合处理高浓度工业废水


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    慧聪表面处理网:高浓度工业废水一般成分复杂,有机物含量较高,而且含有毒有害物质,因此不能直接用于生物法处理。在生物处理之前,需要有预处理提高废水的可生化性。目前,Fenton法是一种比较有效地降解有毒有害物质的高级氧化处理方法,它通过双氧水与Fe2+反应产生氧化能力较强的氢氧自由基降解有机物质,将难降解的有机物质转化成易降解有机物或CO2和H2O。

    活性炭有发达孔隙结构和巨大的比表面积(一般可高达1000~3000m2/g),它的化学稳定性好、吸附性能优良、便于再生利用等,这些优点使得其成为一种重要的吸附材料。而且活性炭表面含有大量酸性或碱性基团,酸性基团有羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基及环氧式过氧基等。碱性基团有相似于萘结构的苯并恶英pyzopyrylium)的衍生物或类吡喃酮结构基团。这些基团可以有效地吸附水中的有机物质。本文采用Fenton氧化和活性炭吸附相结合的方法处理高浓度工业废水,主要讨论Fenton氧化的条件及其活性炭吸附能力与处理水量之间的关系。

    1材料和方法

    1.1废水水质

    废水水质见表1。

    从表1数据可以得出,废水的COD值较高,酸性较强,而且BOD/COD=0.095,较难生化降解。所以水样需要进行预处理后再进行后期的生物处理。

    1.2实验材料

    FeS04•7H2O,H202(质量分数为30%),NaOH、HE1均为分析纯。

    1.3实验方法

    先取一定体积的水样,加入H2O2和硫酸亚铁Fenton试剂,用磁力搅拌器搅拌一定时间,取一定量的水样,测其COD并计算其COD去除率。再用活性炭颗粒填充层析柱做成活性碳柱,将1%nton反应后的水样过活性炭柱,过柱后水样测其COD值,并计算COD去除率。

    2结果与讨论

    2.1Fenton氧化条件优化

    2.1.1最佳H2O2投加量确定

    H2o2是Fenton反应的氧化剂,所以H202的投加量对COD的去除率有很大的影响。取100mL高浓度工业废水,Fe2+与H2O2的摩尔比采用1:2加人不同质量的FeS04•7H2O,然后加入不同质量的30%H2o2,用磁力搅拌器搅拌60min后调pH=7,过滤狈4定滤液COD值并计算COD去除率。H2O2的投加量根据COD值,每2molH202产生imol的02的量计算。其结果见图1。

    从图l可以看出,加人H2o2时,COD去除率随着H2o2量的增大而增大,当H202加入量达到H2O2:COD=2:1时,COD去除率达到最高,当超过这一H2O2用量时,COD的去除率随着H2o2量的增大而减小。这是因为在H202浓度较低时,随着H202量的增大,氢氧自由基也随着增大,有利于反应的进行,COD的去除率增大,当H202过量时,多余的H2o2会与氢氧自由基反应形成•OOH,因此过量的H2o2成了氢氧自由基的抑制剂,使COD的去除率减小。而且多余的H2o2会与COD的测定试剂重铬酸钾发生反应,会影响COD的测定结果lL5J5。所以,最佳H2o2量采用H202:COD=2。

    2.1.2最佳Fe2投加量确定

    Fe2是Fenton反应发生的催化剂,没有re2的催化作用,H2o2不能转化成氢氧自由基氧化有机物,所以实验需要确定最佳Fe2投加量。取100mL高浓度工业废水,H202与COD比值采用2:1,加入不同质量的Fes04•7H20,用磁力搅拌器搅拌60min后调pH=7,过滤测定滤液COD值并计算COD去除率。其结果见图2。

    由图2可以看出,当Fe2+浓度较低时,COD去除率随着Fe2的增加而增大,这是由于较多的催化剂催化H2O2产生更多的氢氧自由基氧化有机物。当Fe2+与H202摩尔比为l:4时,COD去除率最高为76.79%;当re2超过这一投加量时,COD的去除率有下降趋势。当Fe2+过量时,会发生如下反应:Fe2++HO•一Fe3++HO-,Fe2+会与氢氧自由基发生反应生成Fe3+,增加出水的色度J。而且过量的•OH自身会发生反应,从而降低了氢氧自由基的含量,使得COD去除率降低。

    2.1.3最佳pH值确定

    pH值是benton反应发生的重要条件,pH值的不同会影响Fenton反应的机理。取100mL高浓度工业废水,调节不同的pH值,按照H202:COD:2,FJ:n202=1:4(摩尔比)的条件加入H2o2和FeS04•7H2O,用磁力搅拌器搅拌60min后调pH=7,过滤测定滤液COD值并计算COD去除率,结果见图3。

    由图3可以看出,当pH=3时,COD的去除率最高,pH增大或减小时,COD去除率都有所减小。pH值过低时,H是•OH的抑制剂,H与•OH会发生反应:H+•OH—H2O•,不利于•OH的产生,且H2o2分解慢,也不利于•OH的产生,因此COD去除率下降。当pH值较高时,Fe3+容易与OH一形成Fe(OH)3沉淀。导致反应体系中Fd与Fe3+之间的平衡被破坏,Fe3+向Fe2+转化的反应中止,Fenton反应不能继续产生•OH,使得COD去除率下降。

    2.1.4最佳反应时间确定

    反应时间影响化学反应进行的程度,反应时间短,反应不能充分完成,反应时间长,造成一定的浪费,实验对反应时间进行考察。取100mL高浓度工业废水,按照H202:COD=2,Fe2+:H202=1:4的条件加入H202和FeSO4•7H2O,用磁力搅拌器搅拌不同时间后调pH=7,过滤测定滤液COD值并计算COD去除率,结果见图4。

    由图4可以看出,在反应的初始阶段,COD去除率随反应时间的延长而不断提高,反应初期,反应产生的氢氧自由基较多,氧化能力较强。当反应60min后,继续延长反应时间,COD去除率基本趋于平稳。最佳反应时间为60min。

    2.2活性炭吸附

    2.2.1活性炭最佳吸附量确定

    活性炭具有较多的孔洞结构,可作为吸附剂处理有机物质。

在吸附过程中,吸附剂与有机污染物成一定的比例关系。本实验对活性炭与有机物去除率之间的关系进行试验。有机物去除率通过COD去除率得出。取15g活性炭加入层析柱中做成活性炭柱,加人不同量的Fenton反应后水样,过柱后测定取COD值,并计算COD去除率。相同质量的活性炭中,加人Fenton反应后水样越多,COD去除率越小。当进水量为20mL时,COD去除率为55.88%;进水量50mL时,COD去除率37.42%;当进水量为100mL时,COD去除率27.68%。这是由于当有机物含量达到一定量时,活性炭吸附能力趋于饱和,继续加入有机物,会使过多的有机物不能被吸附,导致COD去除率下降。较小的进水量,导致活性炭的浪费,实验最佳进水量采用50mL。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

    2.2.2Fenton氧化与活性炭吸附联合反应前后水质变化高浓度废水预处理前后指标变化见表2。

    高浓度工业废水预处理前后水样指标变化很大,色度去除率基本达到100%,COD去除率达到85.47%,BOD去除率达到33.28%,TOC去除率达到77.91%,废水的可生化指标从0.095提高到0.44,使废水较易生化降解,预处理后水样可以进行后续生物处理。

    3结论

    (1)通过实验得出此高浓度废水Fenton反应的最佳的实验条件为:Fe2+:H202摩尔比采用1:4,双氧水最佳用量采用H202:COD=2,反应pH值为3,最佳反应时间为60min,在最佳条件下,COD去除率达到85.47%。

    (2)将Fenton反应后水样过活性炭柱,加入的水量越大,COD去除率越低,实验采用15g活性炭柱过滤50mL水样为最佳实验条件。

    (3)Fenton氧化和活性炭联合方法使此废水达到较好的去除效果,提高了废水的可生化性,为后期生物处理提供了有利条件。(中国科学院青岛生物能源与过程研究所武汉理工大学西安近代化学研究所)

责任编辑:侯俊梅

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