摘要:對造紙廢水的特征及微電解法概念和基本原理作了簡明闡述,探討微電解法脫色的機(jī)理和影響因素,總結(jié)了該工藝的優(yōu)缺點該工藝具有作用機(jī)制多、協(xié)同效應(yīng)強(qiáng)、脫色效率高、使用壽命長、成本低廉等優(yōu)點,在造紙廢水脫色處理上將具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
1、造紙廢水特征
造紙廢水產(chǎn)生與生產(chǎn)過程的各個工序有關(guān),總的來說可以分為黑液、中段廢水與白水三類,其成分、產(chǎn)生量及水質(zhì)特征列于表1
造紙廢水難生化特性:一般廢水的生化特性可根據(jù)其COD/BOD的大小來判斷:大于0.45生化性較好,大于0.30可生化,小于0.30較難生化,小于0.25不宜生化。由表1可見,木漿中段廢水的COD/BOD都小于0.25生化降解特性很差,這
是因為木材含有更多難以生化降解的木素所致。因此,制漿中段廢水直接采用傳統(tǒng)的生物法來處理是很難成功的。
制漿企業(yè)的制漿黑液,包括木漿和草漿黑液目前都可以成功地使用傳統(tǒng)的堿回收方法治理;造紙白水中的成分幾乎全部來自于紙漿,故絕大部分白水可以直接送回造紙車間回用,再多余的部分可以與中段水混合處理。所謂的中段廢水來源于制漿廢水之后,包括洗漿的稀黑液、洗滌篩選廢水、漂白廢水、洗網(wǎng)、洗毯廢水、造紙車間的多余白水等。因此中段廢水是個來源復(fù)雜,成分復(fù)雜的系統(tǒng),中段廢水處理十分關(guān)鍵。木漿中段廢水的色度都比較高,廢水中的木素類物質(zhì)是制漿中段廢水顏色的主要原因,尤其是含氯漂劑的使用,使得廢水中含有大量的氯化木素,導(dǎo)致廢水的顏色進(jìn)一步加深。
因此,對制漿造紙廢水脫色技術(shù)的研究很有必要。
2、微電解概念和基本原理
鐵屑微電解法,又稱為鐵碳法、鐵屑法、內(nèi)電解、鐵還原技術(shù)等,是基于金屬腐蝕溶解的電化學(xué)原理,利用電解質(zhì)溶液中鐵屑晶體結(jié)構(gòu)上的鐵一碳之間形成的許多局部微電池采處理工業(yè)廢水的一種電化學(xué)處理技術(shù)。
這種技術(shù)用于治理工業(yè)廢水始于20世紀(jì)70年代,此法在沒有外加電能條件下,充分利用金屬一金屬,金屬一非金屬之間的電位差而產(chǎn)生的無數(shù)微小電
池的作用,使廢水中的污染物通過電化氧化一還原反應(yīng)、凝聚、氣浮和沉降等作用,達(dá)到凈化的目的。
3作用機(jī)理
3.1鐵屑微電池反應(yīng)
所用材料的鑄鐵屑和活性碳或焦碳,鑄鐵屑是鐵和碳的合金,其內(nèi)部主要由純鐵和碳化鐵(Fe3C)組成,其中Fe3C以極為細(xì)小的微粒分散在鐵屑內(nèi)。當(dāng)將鑄鐵鐵屑浸沒在電解質(zhì)溶液中時,由于Fe3C比純鐵更耐腐蝕,二者之間存在著明顯的氧化還原電勢差,這樣便在純鐵和碳化鐵之間形成了無數(shù)多個細(xì)微原電池,純鐵為陽極,F(xiàn)e3C為陰極。另一方面鐵屑與活性碳形成較大的原電池,鑄鐵為陽極,碳為陰極,使鐵屑在受到微原電池腐蝕的基礎(chǔ)上,又受到較大原電池的腐蝕。在這些細(xì)微原電池中,陽極在電池反應(yīng)中表現(xiàn)為失去電子被氧化,而陰極得到電子被還原,但反應(yīng)比較復(fù)雜。在微電池中電極反應(yīng)為:
當(dāng)有溶解氧存在,酸性條件下反應(yīng)表現(xiàn)為:
而在有溶解氧存在,堿性條件下則表現(xiàn)為:
電極反應(yīng)產(chǎn)物具有高的化學(xué)活性,其中新生態(tài)的〔H〕和Fe2+能與廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原作用,破壞廢水的發(fā)色或助色基團(tuán),失去發(fā)色能力;使大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)使難生物降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成容易生物降解的物質(zhì),提高廢水的可生化性。在陰極,當(dāng)電解質(zhì)溶液(廢水)中有去極劑存在時,則有
機(jī)物被還原。對于那些易氧化的有機(jī)物,如醇、醛和酚等,在陽極上可以發(fā)生類似強(qiáng)氧化劑引起的氧化反應(yīng),例如酚可以在陽極上直接被氧化分解。
3.2鐵離子的絮凝作用
陽極反應(yīng)產(chǎn)生Fe2+,而Fe2+易被空氣中的O2氧化為Fe3+, Fe2+和Fe3+
是良好的絮凝劑,特別是新生的Fe2+具有更高的吸附一絮凝活性,調(diào)節(jié)廢水的pH可使鐵離子變成氫氧化物的絮狀沉淀,反應(yīng)式為:
生成的Fe(OH)2和Fe(OH)3是活性膠體絮凝劑,其吸附能力比普通方法制得絮凝劑的吸附能力強(qiáng)。這樣,廢水中的懸浮或膠體態(tài)的微小顆粒及有機(jī)高分子,通過微電池反應(yīng)產(chǎn)生的不溶物和廢水中原來構(gòu)成色度的不溶性物質(zhì)均可其吸附凝聚,可進(jìn)一步降低廢水的色度。
3.3 Fe2+絡(luò)合作用
廢水中發(fā)色基團(tuán)很多都有很強(qiáng)的配位體,能與過渡元素中的金屬離子(例如Fe2+)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),當(dāng)發(fā)色基團(tuán)的配位原子的孤對電子進(jìn)入中心粒子的空軌道后,發(fā)色基團(tuán)中共扼體系的電子云分布發(fā)生偏移,改變了激態(tài)和激發(fā)態(tài)的能量,絡(luò)合物的顏色也隨之改變,而FeZ'在中性、酸性條件下,以較多的離子態(tài)
存在,成為中心離子可與染料分子迅速發(fā)生強(qiáng)的絡(luò)合作用,形成體積較大的絡(luò)合物分子,很容易吸附在金屬離子水解形成的礬花上,而形成體積更大的凝聚體,提高了沉淀性能和沉降速度。
3.4鐵屑的還原作用
鐵是活潑金屬,電極電位較小( EO=-0.44V ),易失去電子。鐵的還原能力也可使某些有機(jī)物還原成還原態(tài)。它可以還原一些易取得電子的難降解有機(jī)物,如硝基化合物、亞硝基化合物等,還原生成易降解的化合物,提高廢水的可生化性。硝基苯可被活性金屬還原成胺基就是其中一例,還原后的胺基有機(jī)物色淡,且易被微生物氧化分解,使廢水中的色度得以降低,可生化性提高,為進(jìn)一步的生化處理創(chuàng)造了條件。
3.5微電池的電場效應(yīng)
由于微電池中都有電流流動,受其共同影響,在微電池的電極周圍存在電場效應(yīng),使廢水中的帶電粒子在電場作用下定向移動,促使一些帶電的污染物遷移到兩電極上沉積下來,從而去除這些帶電污染物。
3.6物理吸附
鑄鐵是一種多孔性的物質(zhì),其表面具有較強(qiáng)的活性,能吸附廢水中的有機(jī)污染物,凈化廢水,同時活性碳或焦碳,其很大的比表面積和微晶表面上含有大量不飽和鍵和含氧活性基團(tuán),在相當(dāng)寬的pH值范圍內(nèi)對有機(jī)分子都有吸附作用。
4影響因素
4.1 pH的影響
通常pH值是一個比較關(guān)鍵的因素,它直接影響了鐵屑對廢水的處理效果,而且在pH值范圍不同時,其反應(yīng)的機(jī)理及產(chǎn)物的形式都大不相同。一般低pH值時,因有大量的H',而會使反應(yīng)快速地進(jìn)行,但也不是pH值越低越好,因為pH
值的降低會改變產(chǎn)物的存在形式,如破壞反應(yīng)后生成的絮體,而產(chǎn)生較多的有色Fe2+使處理效果變差,且過低的pH值實際上會增加酸的加入量,增加運(yùn)行成本。而pH值在中性或堿性條件下,許多實際運(yùn)行表明進(jìn)行得不理想或根本不反應(yīng)。因此一般控制在pH值為偏酸性條件下,當(dāng)然這也因根據(jù)實際廢水性質(zhì)而改變。
4.2反應(yīng)時間的影響
停留時間也是工藝設(shè)計的一個主要影響因素,停留時間的長短決定了氧化還原等作用時間的長短。充足的廢水停留時間可以使內(nèi)電解的氧化還原、絮凝等作用充分發(fā)揮。停留時間越長,氧化還原等作用也進(jìn)行得越徹底,隨著反應(yīng)時間的延長,色度和COD的去除率都明顯增加。但如果停留時間過長,會使鐵的
消耗量增加,從而使溶出的Fe2+大量增加,并氧化成為Fe2+,造成色度的增加及后續(xù)處理的種種問題。所以停留時間并非越長越好,而且對各種不同的廢水,因其成分不同,其停留時間也不一樣。
4.3曝氣的影響
從反應(yīng)體系上看,鼓入的氣體擾動可以避免鐵碳粒的沉積,使其混合更均勻,同時也增加了對鐵屑的攪動,減弱濃差極化,加速電極反應(yīng)的進(jìn)行,同時減少了物料結(jié)塊的可能性,且進(jìn)行摩擦后,有利于去除鐵屑表面沉積的鈍化膜,并增加出水的絮凝效果。
4.4鐵碳比對脫色率的影響
單獨(dú)用鐵屑也具有脫色效果,但不及兩者混合。加入碳一方面是為了防止鐵屑在廢水處理過程中出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象,另一方面是利用鐵屑與活性碳形成較大的原電池,使鐵屑在受到微原電池腐蝕的基礎(chǔ)上,又受到較大原電池的腐蝕,從而可以充分利用它們的氧化還原、混凝、絮凝、電泳和吸附等綜合作用。所以
Fe/C比也應(yīng)有一個適當(dāng)值,且加入的碳的種類可以為活性炭或焦炭,碳種類對有機(jī)物等去除率影響不大,因此按經(jīng)濟(jì)因素考慮應(yīng)選焦炭為最佳,具體設(shè)計參數(shù)為Fe/C(體積比)=1/2.
4.5反應(yīng)溫度的影響
實驗結(jié)果表明,處理效果隨反應(yīng)溫度的升高有所改善,但變化不大,一般均在常溫下進(jìn)行反應(yīng)。
4.6鐵屑粒度的影響
鐵屑粒度越小,單位重量鐵屑中所含的鐵屑顆粒越多,使電極反應(yīng)中絮凝過程增加,利于提高去除率;另一方面鐵屑粒度越小,顆粒的比表面積越大,微電池數(shù)也增加,顆粒間的接觸更加緊密,延長了過柱時間,也提高了去除率。故一般的粒度以6080目為佳。
4.7鐵粉品種
一般使用的鐵屑有鑄鐵屑和鋼鐵屑兩種。鑄鐵屑含碳量高,處理效果好,但材料來源不易,絮體易破碎,強(qiáng)度低,易壓碎結(jié)塊;鋼鐵屑含碳量稍低而效果差,但材料易得。在流動水體中,能與廢水接觸均勻,不易短流或結(jié)塊,表面鈍化物也易被帶走,自然更新力強(qiáng),且增大停留時間,效果也能接近鑄鐵屑。馬業(yè)英等人研究了磁性鑄鐵粉處理含鉻電鍍廢水,取得了極佳的凈化效果。磁性鑄鐵粉主要強(qiáng)化了鑄鐵粉表面的微電池作用,同時也加速了鐵粉表面和溶液中的氧化還原速度,也能加速絮體的沉降過程。
5優(yōu)點及存在問題
5.1微電解工藝的優(yōu)點
(1)廢水處理中所用的鐵一般為刨花或廢棄的鐵屑(粉),每噸廢水的處理費(fèi)用一般為0.1元左右,符合“以廢治廢”的方針。
(2)可同時處理多種毒物,占地面積小,系統(tǒng)構(gòu)造簡單,整個裝置易于定型化及設(shè)備制造工業(yè)化。
(3)處理效果好,該工藝對各種毒物的去除效果均較理想。
(4)使用壽命長,操作維護(hù)方便,微電解塔(床)只要定期地添加鐵屑便可,惰性電極不用更換,腐蝕電極每年補(bǔ)充投入兩次。
5.2微電解工藝在實際運(yùn)行中存在的問題
(1)鐵屑處理裝置經(jīng)一段時間的運(yùn)行后,鐵屑易結(jié)塊,出現(xiàn)溝流等現(xiàn)象,大大降低處理效果。吳金義等采用鐵屑高頻結(jié)孔技術(shù)有效地防止了鐵屑結(jié)塊現(xiàn)象的出現(xiàn),這種技術(shù)在一定的溫度下把鐵屑燒結(jié)成類似活性炭的具有較大比表面積的多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì),其中具有許多通道可使廢水以較低的水頭阻力通過,保
證裝置長時間地穩(wěn)定處理效果,目前這種技術(shù)有待于繼續(xù)研究和發(fā)展。且微電解塔高時,底部的鐵屑壓實作用過大,易結(jié)塊,可能在運(yùn)行過程中表面沉積沉淀物使鐵產(chǎn)生鈍化,降低處理效果,而需定期反沖洗。
(2)鐵屑處理廢水通常是在酸性條件下進(jìn)行的,但在酸性條件下,溶出的鐵量大,加堿中和時產(chǎn)生沉淀物多,增加了脫水工段的負(fù)擔(dān),而廢渣的最終歸屬也成了問題。而且塔前與塔后的pH調(diào)節(jié)也較繁瑣,目前在中性條件下的廢水處理還有待于進(jìn)一步研究。
6結(jié)語
微電解處理廢水自誕生以來,便引起國內(nèi)外環(huán)保研究學(xué)者的關(guān)注,并進(jìn)行了大量的研究,已有很多專利和實用技術(shù)成果。最近幾年,微電解處理工業(yè)廢水發(fā)展十分迅速,現(xiàn)已用于印染、電鍍、石油化工、制藥、煤氣洗滌、印刷電路板生產(chǎn)等工業(yè)廢水及含砷、含氟廢水的處理工程,并收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。微電解工藝對廢水的脫色有良好處理的效果,且以廢治廢,運(yùn)行費(fèi)用低,因此在我們造紙行業(yè)將具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
來源:《西南造紙》 作者:黃武等
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