文章编号:100025889(2003)022*******铁碳体系析氢与吸氧反应过程净化废水机理的研究张庆芳1,王有乐1,马　炜2(1.甘肃工业大学石油化工学院,甘肃兰州　730050;2.兰州万众电子通讯有限公司,甘肃兰州　730050)摘要:通过实验证实了析氢与吸氧反应的存在,并针对特定的废水确定了各自的最佳处理条件.同时还对析氢反应和吸氧反应各自占优势时的处理效果与两者优势相当时的处理效果进行了比较分析,认为不论是哪种反应占优势,还是两者并存,都能产生较好的处理效果,只是针对不同的废水可能应有所偏重.关键词:铁碳体系;析氢与吸氧反应;废水处理中图分类号:X703.1 文献标识码:AI nvestigation of mechanism of w aste w ater decontamination with reaction ofhydrogen separation and oxygen absoption in iron2carbon systemZHANG Qing2fang1,WANG Y ou2le1,Ma Wei2(1.C ollege of Petrochemical T echnology,G ansu Univ.of T ech.,Lanzhou　730050,China;nzhou W anzhong E lectronic C ommunication C o Ltd,Lanzhou 730050,China)Abstract:The existence of oxygen abs option and hydrogen separation is verified with the experiment and their several optimal treatment conditions are determined for a specially designated kind of wastewater.The treatment effects in both siteeations,where either hydrogen separation or oxygen abs option reaction has an advantage over the other as well as they are on an equality with each other,are com pared and analyzed.It is believed that a better treatment effect can be achieved with the both situations,excepting a little difference for different kinds of wastewater.K ey w ords:iron2carbon system;reaction of hydrogen separation and oxygen abs orption;wastewater treatment 在铁碳体系(Fe2C)中充满废水可形成许多微原电池,碳的电位高,形成微阴极,铁的电位低可成为微阳极.这些微原电池可发生以下电化学反应,阳极:Fe Fe2++2e;阴极:2H++2e2[H],O2+ 2H2O+4e4OH-.其中新生态的[H]和Fe2+与废水中许多组分发生氧化还原反应,使大分子物质分解为小分子物质,难降解物质转变成易生物降解物质,起到净化废水的作用[1～4]. 另外新生态的Fe2+和Fe3+具有高活性,其水解产物能形成微絮体,吸附废水中的污染物,聚结成较大的絮体沉淀:Fe2++2OH-Fe(OH)2↓,4Fe (OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3↓,同时在微电解过程中产生羟基自由基(・OH),使有机污染物 收稿日期:2002204221 基金项目:甘肃省自然科学基金(ZS0222A252024) 作者简介:张庆芳(19722),甘肃天水人,讲师,硕士生.氧化.以上电化学反应实际上是铁碳体系中析氢和吸氧腐蚀过程所引起的,析氢过程与废水中pH值有关,吸氧过程又与废水的供气量有关,二者是微电解处理废水的关键因素,决定废水的处理效果.本文就铁碳体系的析氢和吸氧反应过程对染色废水的脱色机理及脱色效率进行了实验研究.1　实验设计及处理工艺1.1　染色废水的性质原废水取自兰州一毛厂印染车间染缸中的浓脚水,其中的染料品种包括酸性、直接、阳离子、活性、分散和硫化染料等数种[5～7].色度为200倍,pH为3.4.1.2　铁碳体系的组成铁碳体系由铁粉和活性炭粒组成,铁碳比为2∶1第29卷第2期2003年6月甘　肃　工　业　大　学　学　报Journal of G ansu University of T echnologyV ol.29N o.2Jun.2003(根据本次实验结果,铁碳比为2∶1时脱色率最佳).1.3　实验装置实验装置主要由贮水池、铁碳体系反应器、沉淀池组成(见图1).图1　废水处理流程图Fig.1　F low ch art of w aste w ater processing贮水池兼高位水箱的作用,主要为满足实验所需要的水压,同时兼作沉淀池的作用.废水在进行处理前,在池内静置沉淀,去除其中部分杂质和悬浮物,并起均和池的作用,以调节水质.铁碳体系反映器是该处理系统中的主要装置,柱内装有一定比例铁屑和碳粒.当废水自上而下流经滤剂柱后,达到脱色的目的.由于废水在反映柱内流速较快,上清液和絮凝体混杂在一起,在沉淀池内静置一定时间后,可以得到分离.2　实验结果及讨论2.1　析氢反应过程对染料废水的脱色效果微电解过程中阴极放出氢气所构成的腐蚀称为析氢腐蚀[8],该反应称为析氢反应.因为析氢腐蚀与废水pH 值密切相关,所以在不同的pH 值条件下进行脱色处理.取处理废水100ml ,投加一定量(被废水刚淹没)的铁碳混合物(Fe/C =2∶1),不进行曝气(区别于吸氧腐蚀),处理时间15min 后,取上清液,用比色法测定其脱色率.在不同的pH 值条件下,废水在处理初期都有气泡冒出,这是因为在碳(阴极)上发生还原反应:n H ++n e =n /2H 2,与此同时在铁(阳极)上发生氧化反应:Fe -2e →Fe 2+.随pH 的增大,气泡的量会越来越少,这说明在整个微电解过程中析氢反应总会发生.随着pH 值的增大,溶液中H +的数量减少,相应的阴极还原产物(H 2)也会减少,因而气泡会减少.实验发现:当pH ≤3.5时,反应液中有铁红色出现,沉淀一定时间后有黑色污泥.这主要是因为:当pH太低(pH =1.5,2.0,3.0,3.2),[H +]则太高,过量H +进一步和溶液中的Fe ,Fe (OH )2,Fe (OH )3反应,从而浪费铁屑,破坏絮体,并产生多余的有色Fe 2+,Fe 3+,这是pH ≤3.5脱色率较低的原因.当pH≥7时,实验中有絮状物产生,这是因为Fe2+,Fe 3+的水解产物通过吸附、架桥等作用将废水中胶体或胶体状物质聚集而形成的.从废水脱色率来看,pH 值对脱色率的影响并不是单一地呈递减或递增的趋势,而是呈波浪型的.当pH =6.0时,脱色效果也较低,这主要是因为相对于pH ≤3.5来说,溶液中[H +]减少,它不利于Fe 2+的生成,同时反应液出水呈酸性(pH =6.41),也不利于Fe (OH )2,Fe (OH )3的生成,从而影响絮凝作用的发挥.当pH ≥7时,微电解的脱色效果较高,这主要是絮凝作用的结果.pH 值对脱色率的影响见图2.图2　不供氧条件下pH 值对脱色率的影响 Fig.2　I nfluence of pH value on decolorisationrate without oxygen supply2.2　吸氧反应过程对染料废水的脱色效果通过气泵在反应器底部曝气,在不同的pH 值条件下进行处理,处理时间15min 后,取上清液,用比色法测定其脱色率,结果见图2.实验结果与析氢反应过程脱色率相比(见图3),当pH ≥5.0时,曝气条件下脱色率均大于不曝气时的脱色率.这是因为除析氢反应外,阴极上还 图3　供氧条件下pH 值对脱色率的影响(以3.6L/min 的速度持续供氧)　Fig.3　I nfluence of pH value on decolorisation rate withoxygen supply (oxygen supplyed continu ally at the rate of 3.6L/min)・96・第2期 张庆芳等:铁碳体系析氢与吸氧反应过程净化废水机理的研究 有吸氧反应:O 2+4H ++4e →2H 2O (在含氧酸性溶液中),O 2+2H 2O +4e →4OH +(在中性或碱性溶液中).金属在该条件下的腐蚀称为吸氧腐蚀,该阴极反应称为吸氧反应.析氢和吸氧反应是腐蚀过程中最常见的阴极反应.从实验结果来看,不管溶液起始pH 值为多少,出水pH 值都有较大的增长.这主要是因为溶液中氧的存在而使[H +]减少所致.当溶液呈中性或碱性时,由上面反应方程式可知溶液中由于氧的存在而产生大量的OH -,继而会产生Fe 2+,Fe 3+不同的水解产物,通过它们的絮凝作用使废水中污染物得到降解,达到脱色的目的.通过进一步的实验发现,供氧越充分,脱色率越高.其原因除了以上所分析的以外,还有氧对废水中污染物的氧化作用,以及供氧对反应溶液的搅拌加速了胶粒的聚结反应,单位时间内微阳极、微阴极上的电极反应个数增加等因素都是不可忽视的.不同供氧量对脱色率的影响见图4.图4　不同供气量对脱色率的影响Fig.4　I nfluence of oxygen supply on decolorisation rate3　结果分析1)通过实验证明腐蚀原电池理论中提出的析氢反应和吸氧反应是存在的,但它们不是截然分开的两个反应阶段,而是同时存在的,只不过有一个此消彼长的关系.在酸性条件下,析氢过程占主导,但溶液中溶解氧的存在,不可避免地也会发生吸氧反应.同样,当溶液中鼓入大量氧后,吸氧过程就会占主导地位,但溶液中H +是永远存在的,只是多少而已,因此伴随着也会有析氢过程的发生.2)析氢反应占主导地位时,最佳的pH 值为3.5,4.5,7.0.其它条件下处理效果不好的原因是:[H +]太高,过量H +进一步和Fe ,Fe (OH )2,Fe (OH )3反应,浪费铁屑,破坏絮体,并产生多余的有色Fe 2+,Fe 3+离子,影响色度脱除率;[H +]太低,不利于Fe 2+的生成,继而影响滤床中各作用的发生.3)当pH ≥5.0时,析氧反应占主导地位时废水脱色率均较高,而且呈递增的趋势,这说明一方面向反应液中鼓气充当了搅拌的角色,加快了单位时间内流过微阴极、微阳极上的废水体积,使发生在电极上的氧化、还原以及电解、吸附、胶体的电泳等一系列过程得到加强;另一方面,由于氧的大量存在,在中性或碱性溶液中,反应液中产生的大量的OH -,从而会产生Fe 2+,Fe 3+不同的水解产物,它们是很好的絮凝剂,可以通过吸附、架桥等作用使废水中污染物得到去除.另外,实验还发现,供氧越充分,去除效果越好.4)由图3可以看到,pH =5.0和pH =8.0废水脱色率基本相等.pH =5.0析氢反应在整个反应过程中是占相当比例的(实验发现不鼓气时,在反应过程中有大量气泡冒出),同时由于氧的大量存在,吸氧反应会迅速进行,可以说此时析氢反应与吸氧反应所占比例是相当的.而pH =8.0时,析氢反应处于相对弱势地位(同样由实验发现,不鼓气时产生的气泡明显减少),吸氧反应处于较强的位置,此时废水的脱色主要是由吸氧反应引起的絮凝过程完成的.这就说明,析氢反应与吸氧反应同时存在是对废水的脱色效果与吸氧反应为主导的脱色效果相当.此结论可为不同条件下废水处理工艺的设计提供一定的参考.致谢:本文得到甘肃工业大学学术梯队及特色研究方向重点资助,在此表示感谢.参考文献:[1]　陈　郁,金　燮.零价铁处理污水的机理及应用[J ].环境科学研究,2000,13(5):24226.[2]　韩洪军.内电解法处理印染废水的研究[J ].化工环保,1990,10(6):3362338.[3]　曹　曼.铁屑过滤法处理印染废水的研究[J ].纺织学报,1991,12(1):45246.[4]　王小文,王伯铎,侯润卯.铁屑/炭电化学反应2混凝沉淀法处理制罐废水[J ].化工环保,1998,18(4):2202223.[5]　何义亮.铁屑过滤2活性污泥法处理毛纺厂废水[J ].水处理技术,1993,19(2):1022104.[6]　Peter D.Lignosulfonate dispersants and az o dye reduction [J ].T extChem C olorist ,1986,18(2):17220.[7]　吴树珍.电化学法处理煤气洗涤废水[J ].环境工程,1989,7(2):19210.[8]　张承忠.金属的腐蚀与保护[M].北京:冶金工业出版社,1991.・07・ 甘肃工业大学学报 第29卷。