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談電芬頓法處理紡織染料廢水

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談電芬頓法處理紡織染料廢水

摘要:在芬頓試劑法的基礎(chǔ)上,為改良芬頓試劑法存在的一些劣勢(shì),采用電芬頓法去處理降解廢水。同時(shí),電芬頓法與三維電極電芬頓技術(shù)聯(lián)合起來,并且采用異相催化劑技術(shù),對(duì)紡織染料廢水進(jìn)行更深層次更完美地去除。

關(guān)鍵詞:芬頓;電芬頓;三維電極;紡織染料廢水

中國作為紡織大國,其紡織能力在世界遙遙領(lǐng)先,不過印染、紡織和染料廢水的排放以及污染情況不容樂觀。據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查,廢水中每年大致含有2億m3的紡織染料。中國每年的紡織染料廢水所占比例都比前一年有所增加,在使用過程中有15%左右的染料被排放[1]。

1芬頓法

生物法、物理法、化學(xué)法等都能降解廢水,但是這些方法處理起來不是那么得心應(yīng)手,紡織染料廢水中含有大量化學(xué)合成物,處理一旦不妥當(dāng)或者哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏,就會(huì)造成化學(xué)廢品的遺漏或者不慎排放都會(huì)導(dǎo)致環(huán)境被破壞和污染,同時(shí)對(duì)人類的生態(tài)環(huán)境造成了相當(dāng)大程度的沖擊。如今,越來越多的研究者在降解有機(jī)廢水污染物中采用高級(jí)氧化方法。高級(jí)氧化的原理是利用•OH(羥基自由基)的強(qiáng)氧化能力,可以氧化廢水中有機(jī)污染物質(zhì)變成水和二氧化碳,并且達(dá)到降解廢水的效果[2]。高級(jí)氧化法有很多種類,本文主要闡述的是芬頓氧化法。1894年,來自法國的FentonHJ于實(shí)驗(yàn)中偶然間發(fā)現(xiàn)了芬頓試劑,由此以他名字命名為芬頓氧化法。他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Fe2+能夠催化過氧化氫生成比H2O2具備更強(qiáng)氧化性的•OH[3]。

2電芬頓法

2.1電芬頓與傳統(tǒng)芬頓的比較

隨著時(shí)間的推移,實(shí)際廢水有機(jī)污染物的處理中已經(jīng)開始應(yīng)用到芬頓高級(jí)氧化法。比如單寧和湯梅潔利用芬頓法對(duì)浙江省德清縣新安鎮(zhèn)某某紡織印染廠的生化出水進(jìn)行了深度處理,得出COD去除率很好,出水的COD降低很多等結(jié)論[4]。但不可忽略的是芬頓法處理廢水有機(jī)污染物的過程中消耗掉過多的試劑,浪費(fèi)資源。而且過氧化氫極易分解,不宜久存,并且相關(guān)經(jīng)費(fèi)極高,經(jīng)濟(jì)效益不是特別好。這時(shí),電芬頓通過在陽極外加Fe2+,或者在適合的陽極生成Fe2+,可以相對(duì)降低相關(guān)費(fèi)用,節(jié)約資源,處理效果更好。

2.2電芬頓的基本原理

酸性條件下,通過在陽極外加Fe2+,或者在適合的陽極生成Fe2+,陰極曝氣,電化學(xué)持續(xù)產(chǎn)生過氧化氫[5]。氧氣在陰極反應(yīng)生成過氧化氫:1)Fe3+在陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)被還原為Fe2+;2)Fe3+氧化溶液中的H202能夠與Fe3+反應(yīng)生成Fe2+,實(shí)現(xiàn)鐵離子還原;3)Fe3+與體系中間產(chǎn)物HO2•反應(yīng)實(shí)現(xiàn)Fe2+的還原;4)Fe3+氧化溶液中O2-與Fe3+反應(yīng),使Fe3+被還原成Fe2+;5)Fe3+和攜帶有鹵族自由基的一類有機(jī)物發(fā)生還原反應(yīng),實(shí)現(xiàn)Fe2+的循環(huán)。

2.3電芬頓法陰陽極的選擇

電芬頓具有一些優(yōu)點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)[6]:①運(yùn)行費(fèi)用低,節(jié)能減排;②操作簡單;③處理效率好,節(jié)約資源;④無二次污染。電芬頓能在芬頓試劑法的基礎(chǔ)上更高效地降解有機(jī)廢水和去除有機(jī)污染物,因此其被廣泛使用與研究[7]。HSIAO[8]等使用電芬頓法處理氯苯和酚,以石墨作陰極,研究Fe2+和H202原位生產(chǎn)和循環(huán),他們通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出該方法處理效果比傳統(tǒng)芬頓法有顯著提高的結(jié)論。

3三維電極電芬頓法

3.1三維電極反應(yīng)原理

OH,俗稱羥基自由基,它的氧化能力強(qiáng),氧化電位很高,可達(dá)到2.8eV。它能夠與許多水中污染物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),在沒有二次污染的前提下,從而將有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成水和二氧化碳等無毒無害物質(zhì)[9]。三維電極比表面積大,具有高效并且快速的處理效率,便于發(fā)生電解反應(yīng),從而達(dá)到高效地降解廢水中有機(jī)污染物的結(jié)果[10],反應(yīng)方程式如下:

3.2三維電極與電芬頓技術(shù)的混合

當(dāng)今社會(huì)飛速發(fā)展,僅僅用一種方法來處理會(huì)帶來處理效果差等一系列問題,兩種或兩種以上的方法聯(lián)合使用被如今越來越多的學(xué)者加以研究。例如電芬頓法可以輔加光催化劑變成光電芬頓[11]。除此之外,電芬頓還可以輔加超聲波變成超聲電芬頓[12]。而三維電極電芬頓法是指電芬頓在芬頓氧化法的基礎(chǔ)上采用電化學(xué)方法,溶液中的鐵離子和過氧化氫以一定速率持續(xù)產(chǎn)生,二者反應(yīng)生成的羥基自由基的強(qiáng)氧化能力去除有機(jī)物和降解廢水[13]。艾智慧[14]等采用泡沫鎳、活性炭纖維為陰極,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三維電極電芬頓體系對(duì)廢水中有機(jī)污染物的去除率在30min時(shí)可達(dá)到99.00%,去除率比單獨(dú)采用的三維電極(33%)和電芬頓法(19%)高了很多。

4異相三維電極電芬頓法處理紡織染料廢水

4.1均相芬頓催化劑

催化劑的種類有兩種,均相和異相。液態(tài)催化劑是均相的,即催化劑與溶液是均一的;固態(tài)催化劑是異相的,即催化劑與溶液是非均一的。均相芬頓催化劑最開始還是由法國科學(xué)家FENTON[15-16]發(fā)現(xiàn)的。均相催化劑研究時(shí)間早,發(fā)現(xiàn)問題自然也很多:①對(duì)色度產(chǎn)生一定的影響,且影響不可逆;②pH范圍過于狹窄;③Fe催化劑會(huì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)而最終失活。

4.2異相催化劑

為了解決均相催化劑的一系列問題,人們開始著手研究異相催化劑的使用功能特點(diǎn)。異相催化劑pH作用范圍廣,研究體系并未十分成熟,所以學(xué)者傾向于研究異相電芬頓法處理廢水中的有機(jī)物。WANG[17]和ZHONG[18]等使用零價(jià)鐵作為異相芬頓試劑來處理廢水,并取得了十分顯著的成效。

4.3異相三維電極電芬頓法

傳統(tǒng)異相三維電極電芬頓法是將Fe附著到相應(yīng)的載體上面,并成為電極材料,通過各種反應(yīng)最終制成異相催化劑。電解過程中陰極產(chǎn)生H2O2與陰極表面的Fe反應(yīng)生成•OH。由于Fe做陰極的試驗(yàn)研究過早,并無特別多的發(fā)展趨勢(shì)?,F(xiàn)階段學(xué)者更傾向于加入新的金屬或者新金屬與Fe的混合,例如鈰、錳、銅、鋅等。關(guān)曉雨[19]等制備了Fe-Cu-Ce/Al2O3形式的催化劑之后,用于異相催化劑pH作用范圍廣的研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示,加入該異相催化劑在pH=5~9的范圍內(nèi)作用效果最好,加大了pH作用范圍。

5結(jié)束語

三維電極電芬頓法對(duì)含有難降解有機(jī)物的廢水的去除效果很好,尤其加入異相催化劑后,深得各界研究者們的好評(píng)。加入其他金屬元素可以得到與Fe不一樣的處理廢水有機(jī)污染物的效果。而想用三維電極電芬頓法處理紡織染料廢水,可以首先對(duì)電極材料進(jìn)行選擇,例如研究Fe/Fe電極和C/C電極材料對(duì)H2O2濃度的影響,研究兩種電極材料對(duì)紡織染料廢水COD的去除效果。之后可以深入研究納米鐵、活性炭、納米鐵與活性炭二元混合粒子[20]填充的三維電極。然后對(duì)比二維與三維電極電芬頓法在不同電解質(zhì)濃度、曝氧氣強(qiáng)度、極板間距、pH值下對(duì)紡織染料廢水COD的去除效果。最后對(duì)比異相與均相三維電極電芬頓在不同電解質(zhì)濃度、曝氧氣強(qiáng)度、極板間距、pH值下對(duì)紡織染料廢水COD的去除效果。

作者:劉瑞文 李亞峰 單位:沈陽建筑大學(xué)