新型铁碳微电解填料处理含苯污染地下水的实验

第40卷 第6期

2010年11月

吉林大学学报(地球科学版)

Jour nal of Jilin U niver sity(Ea rth Science Editio n)

Vo l.40 No.6

N ov.2010

新型铁碳微电解填料处理含苯污染地下水的实验

邹东雷,李 萌,邹昊辰,凡冬艳,孙明正

吉林大学环境与资源学院,长春 130026

摘要:将土壤、铁屑、活性炭以及添加剂按一定比例混合、造粒,再经过加热焙烧后制备成新型铁碳微电解规整化填料,以模拟含苯类污染质的污染地下水为研究对象,考察了粘土、铁碳比、填料粒径、粘土比例、添加剂及焙烧温度等因素对微电解过程处理效果的影响。结果表明:粘土经焙烧后对苯的吸附作用很小;在铁碳质量比为6 1,粘土的质量分数为25%,焙烧温度为300 的制备条件下,填料对苯的处理效果最佳。用该填料处理含苯系物污染地下水,连续稳定运行后,处理率可以达到80%以上。

关键词:铁碳微电解;填料;苯;去除率;地下水

中图分类号:X523 文献标志码:A 文章编号:1671 5888(2010)06 1441 05

收稿日期:2009 12 30

基金项目:国家!863?计划项目(2008A A06A410)

作者简介:邹东雷(1964#),男,吉林长春人,教授,主要从事环境工程方面的教学和科研工作,T el:0431-********,E

mail:zoudl@https://www.360docs.net/doc/521439798.html, 。

Treatment of Benzene in Simulated Polluted Groundwater by

New Iron C arbon Micro Electrolysis Packing

ZOU Dong lei,LI Meng,ZOU H ao chen,FAN Dong yan,SUN Ming zheng

Colleg e of Env ironment and Resource s,Jilin Univ ersity ,Chang chun 130026,China

Abstract:The iron carbon m icro electr olysis packing w as made by the m ethod of calcination.T he influences o f clay,Fe/C mass ratio,clay pro por tion,packing diameter,additives and calcinatio n temperature o n the removal rate of simulated benzene gro undw ater w ere investig ated.T he results show ed that the adsorption effect of clay after calcination w as little;T he optim um co nditions o f prepar ation for treating w ere Fe/C m ass ratio 6 1,clay proportion 25%,calcination temperatur e 300 .The packing w as used to treat BT EX groundw ater,and the removal rate w as ov er 80%after running steadily.

Key words:ir on carbon m icro electrolysis;packing ;benzene;remo val efficiency;groundw ater

0前言

苯是重要的化工原料,在化学等工业具有广泛

的用途,但是由于其致癌和致突变性,被美国EPA

和我国列为优先污染物。因此,任何含苯废水的排放都应该受到严格控制。含苯废水和被其污染地下

水的去除方法有活性炭吸附、聚合树脂吸附,蒸汽、空气剥离,生物降解及热破坏等。这些方法去除效率较高,但存在能源消耗大、成本高及回收效率低等

问题[1]。

微电解法是利用金属腐蚀原理,形成原电池对废水进行处理的良好工艺,又称为内电解法、零价铁法、铁屑过滤法、铁碳法,是一项被广泛研究与应用的废水处理技术[2 3]。因其工艺简单、操作方便且可达到!以废治废?的目的,近年来受到广泛重视。但

是,大量研究结果表明,该法在应用中存在诸多缺陷:运行一段时间后由于铁的腐蚀,容易出现结块和沟流,使处理效果降低;同时铁屑表面会生成一层金

属氧化物和氢氧化物膜,致使铁屑钝化,进而导致微电解过程中断,影响处理效果[4 5]

本实验为解决微电解反应中填料易板结问题[6],以铸铁屑、活性炭和粘土为原料,采用焙烧法制备规整化微电解填料,以含苯模拟地下水为研究对象,考察了不同因素对处理效果的影响,并确定了最佳试验条件。

1

实验试剂和分析方法

1.1

试剂与仪器

实验用废水:参考某化工企业污染地下水(苯、

甲苯等污染质的质量浓度为33.95~200mg /L)的情况在实验室配制,静态实验中配制的苯废水的质量浓度约为100m g/L 。铁屑:取自吉林省某机械加工厂,选取粒径小于0.30mm 的部分备用。活性炭:为粉末状,平均孔径1~3nm,比表面积500~2500m 2/g 。粘土:取自长春市朝阳公园,经自然风干,用破碎机破碎,过100目筛,取颗粒粒径小于0.15mm 的粘土备用。

苯、甲苯、乙苯、二甲苯为优级纯;二硫化碳、无水硫酸钠、氯化铵、碳酸铵、硝酸铜、硫酸锰均为分析纯。

分析采用GC112A 型气相色谱仪,PEG 20M 毛细管柱(30m ?0.32m m ?0.25 m,长?内径?涂层厚)。1.2

实验过程与检测方法

采用加热焙烧法制备规整化微电解填料。在前期研究的基础上,将铸铁屑、活性炭粉、粘土按一定比例混合,加入少量的水,摇制成颗粒状,放入马弗炉中,采取一定措施在隔绝氧的条件下加热焙烧2h 。

取一定质量的微电解填料,放入250m L 磨口锥形瓶中,加入200m L 待处理的苯水样,加盖密封,反应一段时间后,取5m L 水样经萃取后,取下层有机萃取液放入气相色谱仪分析。

2

结果与讨论

2.1

粘土对实验结果的影响

前期的研究结果表明,不同地域的土壤对废水

中某些特定的污染物质具有一定的吸附作用[7 8]

。因此在研究前,需要确定土壤对试验用污染质的影响。

将颗粒粒径小于0.15mm 的粘土通过混合、造

粒和焙烧制备成土壤陶粒,取粒径分别为2~5mm 和5~8m m 2个粒径范围内的土壤陶粒进行试验,

结果如表1所示。

表1 土壤陶粒对苯水样的吸附实验效果

Table 1 Experimental result of soil adsorption to benzene

water

粒径/mm 不同时间水样苯的质量浓度/(m g %L -1)0h 1h 3h 24h 2~5107.61103.73100.90102.625~8

107.61

104.90

105.96

106.50

从表中可以看出,土壤经造粒焙烧后,对苯的吸附作用很小。经计算,1h 去除率分别为3.61%和2.52%。制备的土壤陶粒不同粒径大小对污染质的吸附有一定影响,24h 的吸附量分别为0.0998mg/g 和0.0222mg /g,小粒径的土壤陶粒对苯系物的吸附量较大。2.2

铁碳比对实验结果的影响

在填料中加入活性炭是为了组成宏观电池。当

铁中碳屑量低时,增加碳屑,可使体系中的原电池数量增多,提高对有机物等的去除效果

[4,9]

。但当碳

屑过量时,反而抑制了原电池的电极反应,更多表现为吸附作用,同时还增加了处理的成本,所以Fe/C 比也应有一个适当值。

为确定微电解填料中铁屑与活性炭的最佳比例,在初步试验基础上,确定铁屑与活性炭的质量比为:4 1、5 1、6 1、7 1和8 1等5种,粘土在填料中的质量分数为15%。实验结果如图1所示。

图1 不同铁碳比对苯去除率的影响

Fig.1 Effect of different Fe/C mass ratio on removal rate

of benzene

从图中可以看出,填料中铁碳比对实验结果有一定的影响。随着铁碳比增大,去除率逐渐增大。铁碳比为6 1时去除效果最好,1h 即可达到38%,3h 可以达到58.32%。而后随着填料中铁屑

1442 吉林大学学报(地球科学版) 第40卷

的增多,去除率有所下降。根据实验结果,最终确定填料中铁碳质量比为6 1。2.3粒径对实验结果的影响

填料粒径越小,单位重量所含的颗粒越多,颗粒的比表面积越大,原电池数也增加,相同时间内去除率越高。但粒径越小,使单位时间处理的水量减少,且易产生堵塞、结块等不利影响[10 12]。本实验对不同粒径范围填料的去除效果进行了考察。

选取粒径分别为2~5m m 和5~8m m 2个粒径范围内的微电解填料(铁碳比为6 1,粘土质量分数为15%)进行试验,结果如图2

所示。

图2 填料粒径对苯去除率的影响

Fig.2 Eff ect of different packing diameter on removal rate

of benzene

由图可见,粒径对实验结果影响很小。因此,在以后的实验中采用粒径为3~8mm 的混合填料。2.4

粘土比例对实验结果的影响

微电解填料的活性中心为Fe 与C,土为填料的

骨架,土的比例过高则填料中活性组分减少,去除率降低,土的比例过低则填料的硬度和成型会受到影响;因此需要确定粘土在填料中的最佳比例,以保证硬度和去除率都达到最佳效果。在初步试验的基础上,铁屑与活性炭的质量比为6 1,确定粘土在填料中的质量分数分别为15%,20%,25%和30%。按上述粘土比例制备微电解填料,造粒焙烧。图3为不同粘土比例的实验结果。

实验结果表明,随着粘土在填料中的比例减少,去除率缓慢增大。粘土质量分数为15%时,去除效

率略高;然而,粘土质量分数15%的填料硬度偏小。综合考虑,初步确定粘土在填料中的质量分数为25%。2.5

添加剂对实验结果的影响

新型填料处理效果的好坏主要决定于填料的孔

道和比表面积,添加剂的加入是为了提高填料的孔

道数量,即提高填料的孔隙率和比表面积,进而使水

中污染物质与填料具有更大的接触表面积。在填料各物质组成确定的条件下,在制备填料时向填料中添加一定质量分数的添加剂,添加剂在焙烧过程中受热分解生成气体使填料形成孔道,以增大填料的接触面积。

图3 不同粘土比例对苯去除率的影响

Fig.3 Effect of different clay proportion on removal rate

of benzene

按铁屑与活性炭的质量比为6:1,粘土的质量分数为25%制备新型微电解填料,初步选择4种添

加剂,分别是碳酸铵,氯化铵,硝酸铜和硫酸锰,添加剂的质量分数为0.5%。结果如图4所示。

图4 添加剂对苯去除率的影响

Fig.4 Ef fect of different additives on removal rate of

benzene

从图中可以看出,不同添加剂的加入对填料的去除效果有一定的影响,其中添加了碳酸铵的填料去除率和不添加的去除率相近。因此,新型填料制备过程均采用添加碳酸铵来达到增加填料中孔道和

比表面积的目的。

2.6焙烧温度对实验结果的影响

焙烧温度是填料制备过程中的重要因素,直接影响到填料的硬度、去除率及经济性等。焙烧温度过低,粘土无法将铁屑与活性炭粘结,填料硬度低在水中易分散;而焙烧温度过高,铁的氧化严重,从经济性考虑不适用。实验选择250 、300 、400 、

1443

第6期 邹东雷,等:新型铁碳微电解填料处理含苯污染地下水的实验

500 、600 5个温度条件,在填料造粒后,焙烧相同时间。结果如图5

所示。

图5 不同焙烧温度对苯去除率的影响

Fig.5

Ef fect of different calcination temperature on removal rate of benzene

从图中可以看出,填料焙烧温度对苯水样去除率有一定的影响,焙烧温度越低,相同时间内填料对水样的去除率越高,250 和300 条件下去除率较高且去除效果接近。600 去除率最低。分析原因,填料在较低温度下焙烧,能更好地保持原有铁屑和活性炭的性质;在较高温度下,填料中铁屑在焙烧后都不同程度地被氧化。再考虑焙烧温度对填料的硬度有影响,因此选择300 为焙烧温度。经过测定,新型填料的粒度为3~8mm,填料密度约为2.48g/mL,堆积密度约为1.44g/m L,孔隙率约为42%。2.7

连续性试验

连续实验的目的是考察在连续运行的状态下,应用新型规整化微电解填料处理废水的效果及其稳定性。以苯系物(苯,甲苯,乙苯,二甲苯)为研究对象,考察在一定条件下,微电解填料对各物质的处理效果。其中:苯185.11mg /L,甲苯77.81mg/L,乙苯37.17m g/L,二甲苯33.95m g/L 。

反应器为玻璃柱,直径为50mm,长为800mm,壁厚2mm ,有效容积为0.8L 。水样由原水水箱经蠕动泵,从微电解柱体底部进水,经柱体内新型规整化微电解填料预处理后,上部出水。停留时间约90min 。结果如图6所示。

实验连续运行14d,共计340h,出水59.85L 。从实验结果看,在连续运行初期的0~72h 内,去除率不太稳定,尤其是苯波动较大。72h 以后去除率逐渐稳定,除个别点外,各组分去除情况良好。平均去除率可以达到80%以上。运行14d 以后填料表面附着大量絮凝物,去除率有所下降;因此新型填料

在运行一定时间后,应该考虑清洗和再生的问题。

在整个运行期间内没有发现填料板结现象。

图6 动态实验各组分去除率随时间变化

Fig.6 Removal rate of BTEX in the dynamic experiment

3结论

(1)采用粘土为新型填料的骨架,与铁屑和活性

炭混合后造粒再经焙烧制备成规整化新型微电解填料,填料的粒径对苯的去除率影响效果不大,在填料处理污水过程中,铁碳微电解反应起主要作用。

(2)新型规整化微电解填料处理含苯废水的最佳实验条件是:铁屑与活性炭质量比为6 1,粘土的质量分数为25%,焙烧温度为300 。

(3)铁碳微电解填料对苯系物废水有较好的处理效果,动态实验稳定运行后,对各物质的去除率可以达到80%以上,对微电解填料的板结具有一定预防作用。

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