简述印染废水处理工艺研究
随着工业发展水平的不断提高,水体中的化学合成物质的数量和种类急剧增加,对水环境造成了严重污染,直接威胁着人类的健康。其中,印染行业在我国是废水高产行业。蒽醌染料由于其稳定性强、固色率高和强色度牢等特点成为仅次于偶氮染料的第2大类活性染料。而且,由于蒽醌染料的稠和芳香环结构使其比偶氮染料更难生物降解,导致这类废水具有成分复杂且COD浓度高、毒性大、水质水量变化大、可生化性差等特点,因而给传统处理印染废水的方法带来了新的挑战。目前,染料废水处理方法主要有物理法(吸附法、膜分离法等)、化学法(混凝沉淀、光催化处理等)和生物法(厌氧生物处理法、好氧生物处理法等)。这些处理方法各有优点,但都还存在不足之处,普遍存在处理费用高和(或)容易产生二次污染等缺点。
芬顿技术是高级氧化技术中应用较广泛的一种,在处理废水中不同污染物时操作简单且效率高,其原理主要是利用芬顿反应产生的羟基自由基(·OH)。·OH具有很强的氧化能力,能够将大分子污染物转化为小分子物质后再进一步矿化,分解为H2O,CO2和无机矿物盐;然而,传统芬顿法需要消耗大量的H2O2,催化剂难以分离和重复使用,而且由于反应pH低,会产生大量的含铁污泥,造成二次污染。近年来,电芬顿法逐渐走入研究人员和业界的视野,该法主要是通过外加电源输入电能,电子传到阴极后将O2还原为H2O2,H2O2与催化剂Fe2+反应产生·OH和Fe3+,其中Fe3+还可以被还原为Fe2+。电芬顿法不仅可以在阴极持续产生H2O2和Fe2+,而且二次污染发生的可能性很小;然而,该方法也受到阴极催化产生H2O2的效率较低,需要不断的输入电能因而导致运行成本增加等因素的制约。
随着生物电化学系统(bioelectrochemicalsystem,BES)技术的发展,越来越多的研究者尝试着将其与芬顿反应相结合,形成生物电芬顿系统(bio-electro-Fentonsystem)。在生物电芬顿系统中,阳极微生物氧化有机物产生电子和质子,经过外电路和质子交换膜传递到阴极,与此同时在阴极持续曝气,把氧气还原产生H2O2,再向阴极引入Fe2+发生芬顿反应产生·OH。该体系不仅可以在阴极产生·OH降解难处理污染物,还可以产电。此外,更有研究者将铁化合物负载到阴极上制成复合电极,代替外加铁源,Fe2+可以在阴极通过还原原位产生。WANG等将γ-FeOOH负载到碳毡上制成复合电极作为生物电芬顿系统的阴极用于氧化As(Ⅲ)。此外,还有各种各样的电极如PPy/AQDS电极和Fe2O3/ACF电极等被逐渐开发出来。但是,由于受pH的限制,芬顿反应需在酸性介质(pH2.5~3.5)中进行;因此,越来越多的人在研究多相芬顿反应以扩大其pH适用范围,不仅可以使反应在更温和的pH下进行,还不需要对催化剂进行分离。在生物电芬顿系统中,开发可以在较宽pH范围下降解污染物的新型电极正越来越被收到广泛关注。
本研究以碳纤维为载体,通过对其进行氧化处理,并成功将铁锰化合物负载到其表面以制备Fe-Mn/ACF复合电极。同时,本文还讨论了初始pH和活性艳蓝KN-R初始浓度对降解效果的影响以及该电极的稳定性和可重复使用性;并通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)对Fe-Mn/ACF复合电极的微观结构和组成成分进行表征;最后,在生物电芬顿系统中通过对H2O2产量的检测与塔菲尔曲线的测试探究了该电极的催化活性。
生物电芬顿系统是基于双室微生物燃料电池构建的。反应器是由聚碳酸酯材料制作的,外部直径为16cm,高度为14cm,每个单极室的有效容积为550mL。阳极电极是由石墨纤维刷(TOHO,日本)制成的,直径为6cm,长度为12cm,阴极电极是Fe-Mn/ACF复合电极。阴阳两极通过铜丝连接,并连接一个100Ω的高精度电阻。
反应器运行之前,在阳极室接种取自于杰能科无锡工厂的厌氧污泥,阴极注入0.1M的磷酸盐缓冲液(pH7.0),并对阴极进行曝气直到阳极电势稳定在-0.55V左右(Keithley2700,美国)。当阳极产电稳定后,反应器的运行条件为阳极电势稳定在-0.55V左右,阴极电势稳定在-0.19V左右。在运行过程中定期给阳极室更换营养液(Na2HPO4·12H2O11.55g·L-1;NaH2PO4·2H2O2.7g·L-1;KCl0.13g·L-1;NH4Cl0.31g·L-1)、1mL·L-1微量元素溶液、1mL·L-1维生素溶液和1.0g·L-1无水乙酸钠作为碳源),阴极室装有550mL的电解液,其中含有30mg·L-1的活性艳蓝KN-R和0.05mol·L-1的Na2SO4,在反应器运行过程中持续给阴极室曝气,为阴极提供氧气。阴极pH用0.10mol·L-1H2SO4或0.10mol·L-1NaOH调节。在降解过程中,每隔20min取一次样用以检测残余活性艳蓝KN-R的量。
为了观察样品的微观形态与组成成分,通过扫描电子显微镜(SEM)与能谱分析(EDS)对其进行了观察测试,结果如图1所示。图1(a)是未经氧化的碳纤维表面的电镜图和能谱分析图。可以看出,未氧化的碳纤维表面很平滑,组成成分基本上都是C元素。而经过氧化的碳纤维(oACF)如图1(b)所示,硝酸处理之后的碳纤维表面被腐蚀,表面粗糙程度增大,且由图1(b)中可以看出,经过氧化后除了C峰以外还有O峰,说明碳纤维表面成分发生了变化,在其表面形成了含氧官能团。通常,碳纤维经氧化后发生的变化有助于与复合材料形成较强的分子间作用力,而且粗糙度的增加可以增大表面接触面积,以便与复合材料形成较强的键合力。图1(c)和(d)分别为负载有铁化合物(Fe2O3/ACF)和铁锰化合物的碳纤维(Fe-Mn/ACF)。由图1(c)中的(c1)和图1(d)中的(d1)可以明显看出,在碳纤维表面负载有其他物质,图1(c)中的(c2)和图1(d)中的(d2)则证明了负载的物质分别为铁化合物和铁锰化合物,其中的铁化合物已被本课题组证实为Fe2O3。不同的是,图1(c)中的(c1)负载的Fe2O3颗粒大小不一,分散不均匀,存在团聚现象;而由图1(d)中的(d1)可知,少量锰化合物的掺入可以抑制Fe2O3颗粒粒径的增长,从而使得碳纤维表面的负载物颗粒粒径变小,分散更均匀。碳纤维表面负载物颗粒粒径越小,相对应的比表面积则越大,进而可以增加碳纤维表面的活性点位和提高电极的活性。同时,锰离子的加入也可以和H2O2发生类芬顿反应产生·OH。
1)成功制得Fe-Mn/ACF复合电极。经过SEM和EDS表征表明,锰化合物的加入可以使得碳纤维表面的负载物颗粒粒径变小,分散更均匀,增加碳纤维表面的活性点位,提高电极的活性。
2)在生物电芬顿系统中,通过对H2O2产量的检测与Tafel曲线的测试,Fe-Mn/ACF复合电极的H2O2产量与交换电流密度分别达到了381μmol·L-1与19.4357mA·cm-2,结果显示Mn对电极的性能有很大的提高。
3)生物电芬顿降解活性艳蓝KN-R实验中,结果表明当初始pH为5.0,初始浓度为30mg·L-1时,能够有效地去除活性艳蓝KN-R,在120min后能达到95.6%;且对Fe-Mn/ACF复合电极的稳定性的研究表面,在连续运行了12次后,生物电芬顿系统对KN-R去除率仍能达到81.1%。以上就是对于与介绍，希望大家可以对这些知识有所了解，如有疑问，欢迎前来我公司咨询，我们将竭诚为您服务。