粉煤灰微電解預(yù)處理含硫廢水的研究
摘要：粉煤灰是具有一定活性的含有6%炭的球狀細(xì)小顆粒對(duì)于水中雜質(zhì)具電解和吸附性能力，利用粉煤灰對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行處理可謂以廢治廢，且處理廢水費(fèi)用低效果好。這已得到有關(guān)科技界的廣泛重視，在利用粉煤灰對(duì)廢水處理方面已做了大量的研究工作，取得了可喜的成績(jī)。研究了粉煤灰與鐵屑構(gòu)成微電池處理含硫廢水的方法并探討其作用機(jī)理。設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)考查了在動(dòng)態(tài)零回流小試中pH值、煤鐵比和水力停留時(shí)間三因素的影響，而且對(duì)反應(yīng)時(shí)間和煤鐵比作了單因素影響實(shí)驗(yàn)。對(duì)廢水的進(jìn)水濃度和回流比作了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，再pH值為8.00、煤鐵比為1：水力停留時(shí)間為30min、進(jìn)水濃度為15mg/l和回流比為5：1時(shí)處理效果最好，可達(dá)807%，排放濃度可以控制在2mg/l以?xún)?nèi)，達(dá)到國(guó)家三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
引言
水中硫化物包括溶解性的H2S、HS-、S 2-，和存在于懸浮物中的可容性硫化物、酸可容性金屬硫化物以及未電解的有機(jī)、無(wú)機(jī)類(lèi)硫化物。硫化氫輕易從水中散逸于空氣，產(chǎn)生臭味，且毒性很大。它可以與人體內(nèi)細(xì)胞色素、氧化酶及該類(lèi)物質(zhì)中的二硫鍵作用，影響細(xì)胞氧化過(guò)程，造成細(xì)胞組織缺氧，危及人的生命。硫化氫除自身能腐蝕金屬外，還可以被污水中的微生物氧化成硫酸，進(jìn)而腐蝕下水管道等。因此，硫化物是水體污染的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中任何情況下都不可以向空氣中排放硫化氫。使用這中氣體的工作必須在密封的系統(tǒng)中或高效排風(fēng)廚中進(jìn)行？諝庵腥绾0.1%的H2S就會(huì)迅速引起頭痛、暈眩等現(xiàn)象。吸入大量H2S就會(huì)造成昏迷或死亡。經(jīng)常接觸能引起慢性中毒，引起感覺(jué)變壞、消瘦、頭痛等。工業(yè)上，空氣中不得H2S含量不得超過(guò)0.01mg/L。
第1章實(shí)驗(yàn)部分
1實(shí)驗(yàn)器材
PVC離子交換柱。離子交換柱的水泵2臺(tái)。濾紙：酸洗并經(jīng)過(guò)硬化處理、25ml或50ml酸式滴定管、錐形瓶、移液管、容量瓶。濾紙：酸洗并經(jīng)過(guò)硬化處理、能阻留微細(xì)沉淀的致密無(wú)灰分濾紙、滴定管架，4套。150ml或250ml碘量瓶。25ml或50ml棕色滴定管。PHS-3C精密pH儀。
試劑及器材
鹽酸：ρ=19g/ml、磷酸：ρ=69g/ml、鹽酸溶液：，用鹽酸配制。、磷酸溶液：。氫氧化鈉溶液：C=1mol/L。將20g氫氧化鈉容于250ml水中，冷卻至室溫，稀釋至500ml。重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液：C=0.1000mol/L。稱(chēng)取105℃烘干2h的基準(zhǔn)或優(yōu)級(jí)重鉻酸鉀9030g溶于水中，稀釋至1000ml。重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液：C=0.2500mol/L稱(chēng)取105℃烘干2h的基準(zhǔn)或優(yōu)級(jí)重鉻酸鉀1258g溶于水中，稀釋至1000ml。碘化鉀。硫代硫酸鈉C=0.1mol/L。
配制：稱(chēng)取24682g五水合硫代硫酸鈉C和0.2003g無(wú)水碳酸鈉溶于水中，轉(zhuǎn)移到1000ml容量瓶中，稀釋到標(biāo)準(zhǔn)刻度，搖勻，貯于棕色瓶?jī)?nèi)。
標(biāo)定：于250ml碘量瓶?jī)?nèi)，加入1g碘化鉀及50ml水，加入100ml；加重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液入鹽酸溶液5ml，密塞搖勻。暗處?kù)o置5min。用待標(biāo)定的硫代硫酸鈉溶液滴定到溶液呈淡黃色時(shí)，加入1ml定粉指示劑，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好消失，記錄標(biāo)準(zhǔn)溶液用量，同時(shí)作空白滴定。
硫代硫酸鈉濃度C(mol/L)由下式求出：
C=0.1000×15.00÷(V1-V2)
式中：V1——滴定重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液用量（ml）；
V2——滴定空白溶液是硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液用量（ml）；
0.1000——重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(mol/L)。
硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定液C(Na2S2O3)=0.1mol/L：移取10.00ml上述剛標(biāo)定過(guò)的碘標(biāo)準(zhǔn)溶于硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液于100ml棕色容量瓶中，用水稀釋到刻度，搖勻，使用時(shí)配制。
碘標(biāo)準(zhǔn)溶液C(1/2I2)=0.1mol/L：稱(chēng)取12.70g 碘于500ml燒杯中，加入40g碘化鉀，加適量水溶解后，轉(zhuǎn)移至1000ml棕色溶解瓶中，稀釋至標(biāo)線，搖均，移至棕色瓶中保存待用。
碘標(biāo)準(zhǔn)溶液C(1/2I2)=0.01 mol/L：移取10.00 ml碘標(biāo)準(zhǔn)溶液于100ml棕色容量瓶中。用水稀釋至標(biāo)線，搖均，使用前配制。
粉煤灰
1g可容性淀粉，用沸水溶解，在定容到100ml,冷卻備用。
表 1?1粉煤灰的灰成分分析/%
|
煤灰的預(yù)處理用待處理的溶液浸泡24h。
15）鐵屑
來(lái)源：蕪湖市花塘鐵粉廠。
預(yù)處理：每次使用前取適量的干鐵粉加入適量的洗衣粉洗滌兩次，并每次充分?jǐn)嚢枨逑粗翛](méi)有黑色液體為止。再使用1+3的鹽酸洗滌至沒(méi)有渾濁的液體為止，并使用蒸餾水漂洗三次保證去銹鐵粉表面沒(méi)有鹽酸殘留。
1.3實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容
1.3.1硫化物的測(cè)量
將所要測(cè)量的各試樣各加入10.00ml0.01mol／L碘標(biāo)準(zhǔn)溶液，再加5ml鹽酸溶液，密塞混勻。在暗處放置10min，用0.01mol／L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液呈淡黃色時(shí)，加入1ml淀粉指示液，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好消失為止。
1.3.2結(jié)果表示
處理硫化物含量ci(mg／L)按下式計(jì)算：
|
|
式中：V0——空白試驗(yàn)中，硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液用量，ml；
Vi——滴定硫化物含量時(shí)，硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液用量，ml；
V——試樣體積，50ml；
16.03——硫離子(1/2S2-)摩爾質(zhì)量（g/mol）
c——硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度（mol／L）。
1.3.3排放標(biāo)準(zhǔn)
本實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的對(duì)象是S2-,其初始濃度約為10mg/L，其排放濃度為國(guó)家三級(jí)（？？？？？）排放標(biāo)準(zhǔn)：2mg/L。
1.4空白試驗(yàn)
以雙重蒸餾水代替試樣，取50ml加入與測(cè)定時(shí)相同體積的試劑，按（1.3） 所述步驟進(jìn)行空白試驗(yàn)。
標(biāo)定Na2S2O3是的消耗體積是15.7ml
則：C Na2S2O3=0.1×15÷(15.7-3)
=0.118mol /L
則所配的試劑的Na2S2O3的標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度是0.00118 mol /L
用此濃度的
令：k=C×16.03×1000÷V
=3.8468
k是在此時(shí)計(jì)算的通用值為3.8468
第2章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果討論
2.1單因素正交實(shí)驗(yàn)：
本實(shí)驗(yàn)對(duì)廢水pH值、粉煤灰和鐵屑的比和反應(yīng)時(shí)間，三因素做了水平正交實(shí)驗(yàn)，水平表和正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2-1和表2-2所示。
表 2?1靜態(tài)處理實(shí)驗(yàn)因素水平表
|
|||||||||||||||||||
分步實(shí)驗(yàn)步驟：
1.取已配N(xiāo)a2S（約1mol/l）溶液2mL定容到2000mL。并調(diào)節(jié)pH到所需要的數(shù)值。
2. 取大約1000mL體積的粉煤灰，用硫化納的液體浸泡24h，待用。
3. 取約有400mL體積的鐵屑，并按照上面的方法進(jìn)行預(yù)處理。
4. 按照實(shí)驗(yàn)的要求對(duì)濕的粉煤灰和濕的鐵屑體積進(jìn)行配比，用鐵棒充分的攪拌使之均勻混合。
動(dòng)態(tài)正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理
表 2?2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)正交試驗(yàn)L9結(jié)果及極差分析
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
用直觀分析法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。Xi為某因素第i水平的實(shí)驗(yàn)之和。根據(jù)表九中A、B、C三因素的Xi值，求出極差Ximax—Ximin，極差大則說(shuō)明該因素對(duì)去除率影響大。由此得出影響大小順序?yàn)镃>B > A,優(yōu)水平組合為A2、 B3、C2。即廢水得進(jìn)水pH為8，煤鐵比為1：2，水力停留時(shí)間為30min。
2.2 單因素實(shí)驗(yàn)
正交實(shí)驗(yàn)極差分析可知，最優(yōu)水平組合為A2、 B3、C2，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，鐵屑用量多，S2-的去除率就越高。為了驗(yàn)證反應(yīng)時(shí)間和鐵屑的用量的影響，對(duì)兩個(gè)因素進(jìn)行了單因素影響實(shí)驗(yàn)。
2.2.1 水力停留時(shí)間對(duì)處理效率的影響
條件為pH=8.00、煤：鐵=1：2的情況下，分別設(shè)置20min、30min和40min三個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)影響因素。
標(biāo)定Na2S2O3：消耗體積為：8.4ml----24.2ml
由實(shí)驗(yàn)可以得出時(shí)間短處理效果不好有可能是一方面接觸時(shí)間太短，另一方面是開(kāi)始的廢水導(dǎo)電性較差所致。但時(shí)間到30min后去除率由51.64％變?yōu)?8.41％，其相差僅為3.23％，即可以視為基本不變，因此，廢水的最佳停留時(shí)間為30min。
不同濃度對(duì)處理效果的影響
在確定了pH值、反應(yīng)時(shí)間和鐵屑比，處理效率還受到處理前的濃度的影響，取已經(jīng)配制的硫化鈉溶液（2.1.3.2.9）2ml、2.3ml、2.6ml、3.5ml。
其他條件：水力停留時(shí)間：30min
pH值：8.00
煤鐵比： 1：2
表 2?5 不同濃度對(duì)處理效果的影響
圖 2?1 濃度和處理效率的關(guān)系
|
由圖可以得出，濃度變化時(shí)處理效率也相應(yīng)的變動(dòng)，由圖表可以得出方程：y=-0.0091×X2+0.261X-1.2062 由此可以積分知道最佳的濃度是14.5mg/l，此時(shí)的處理效率最高是66.5%。
在高濃度是由于反應(yīng)的接觸面積和結(jié)束時(shí)間有限，不能充分的反應(yīng)而直接流出，九造成一種溶液的短路現(xiàn)象，是未反應(yīng)或只有部分反應(yīng)的的液體直接排放，使得排放的液體濃度升高，處理效率也就下降了。
2.2.4 確定最佳的回流比
在工程上并不是如上面所分析的那樣是開(kāi)放式，而是回流式的，這樣以提高其處理效率
2.2.4.1 實(shí)驗(yàn)條件 水力停留時(shí)間：30min
pH值： 8.00
煤鐵比： 1：2
濃度： 14.5mg/L（具體的數(shù)值以標(biāo)定為準(zhǔn)）
實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理
在條件相同的情況下設(shè)計(jì)五組實(shí)驗(yàn)
表 2?6 確定最佳的回流比
根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果和表可以得出圖：
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
進(jìn)水濃度是13.4mg/l，處理效率以65％計(jì)算，出水濃度以1.5mg/l計(jì)算，則理論回流比是：2.3，而由表和圖得出實(shí)際的最佳回流比是5：1，其原因主要是因?yàn)樵诜磻?yīng)的過(guò)程中有未反應(yīng)或部分反應(yīng)的溶液直接流出了出口。在最佳的濃度、 pH值、煤鐵比和水力停留時(shí)間的條件下反應(yīng)的理論值和實(shí)際值之間有一點(diǎn)差別。
2.3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)條件：pH值為8.00；
水力停留時(shí)間為30min；
煤鐵比是1：2；
進(jìn)水濃度是14mg /l；
回流比是5：1。
將所要測(cè)量的各試樣各加入10.00ml0.01mol／L碘標(biāo)準(zhǔn)溶液（2.1.3.2.3），再加5ml鹽酸溶液(2.1.3.2.12)，密塞混勻。在暗處放置10min，用0.01mol／L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（2.1.3.2.10）滴定至溶液呈淡黃色時(shí)，加入1ml淀粉指示液（2.1.3.2.15），繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好消失為止。
標(biāo)定Na2S2O3的濃度是消耗的體積為：16.4ml——31.5ml → ΔV=15.1ml
則：C Na2S2O3=0.1×15÷(15.1-3)
=0.124mol/L
則所配的試劑的Na2S2O3的標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度是0.0124 mol /L
令：k=
k是在此時(shí)計(jì)算的通用值為3.983
濃度的公式即為 C= k×(8.8×0.0126÷0.0118-V) V—消耗Na2S2O3體積
在已經(jīng)有了最佳的濃度、 回流比、 pH值、煤鐵比和水力停留時(shí)間的條件下，其出水排放濃度可以控制在2 mol/L以?xún)?nèi)，達(dá)國(guó)家三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
第3章 存在問(wèn)題及展望
3.1 存在問(wèn)題
綜上所述，可以看出粉煤灰微電解處理含硫廢水的微電解技術(shù)是可行的。因?yàn)槠湟詮U治廢的特點(diǎn)，在環(huán)境領(lǐng)域有著巨大的開(kāi)發(fā)潛能和廣闊的應(yīng)用前景。但在實(shí)際應(yīng)用方面尚存在四方面的問(wèn)題：一是粉煤灰的催化效率需要進(jìn)一步提高；二是灰水分離問(wèn)題；三是在工程上間隔的加入鐵的量的確定；四是理論研究基礎(chǔ)薄弱,對(duì)粉煤灰電解機(jī)理及動(dòng)力學(xué)的研究還不夠透徹，絕大多數(shù)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
3.2 展望
上述的實(shí)際應(yīng)用方面存在的四方面的問(wèn)題，也正是粉煤灰微電解需要深入研究的四個(gè)方向。
3.2.1 進(jìn)一步提高粉煤灰的電解效率
提高粉煤灰的電解效率，可以選擇一些含炭量較高的粉煤灰。其粒度也控制在150目以?xún)?nèi)，粒度太大會(huì)是粉煤灰中的硅酸鹽成分和其他的不具有電解作用的物質(zhì)含量加大。由于在反應(yīng)的過(guò)程中粉煤灰沒(méi)有損失，除了在廢水的流出會(huì)帶走部分的粉煤灰。因而也因該對(duì)反應(yīng)的粉煤灰的量也要進(jìn)行適量的補(bǔ)充，以保證反映在控制的范圍之內(nèi)。
3.2.2 提高灰水分離效率
目前在工程上除了重量沉淀法易實(shí)現(xiàn)灰水分離外，其他一些方法灰水分離法要么成本昂貴要么實(shí)現(xiàn)有一定困難。在本實(shí)驗(yàn)中就用了重量沉淀法，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。這在某種程度上也阻礙了該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。所以尋找一種比較好的灰水分離方法是非常必要的。
3.2.3 工程上間隔的加入鐵的量的確定
由于，反應(yīng)的不斷進(jìn)行，反應(yīng)期中的鐵屑含量越來(lái)越少，在體積比1：2左右，在偏離此值得反應(yīng)中都會(huì)有不利的影響。而實(shí)際準(zhǔn)確的是兩者的體積比為1：2是很困難的，只有在長(zhǎng)時(shí)間的工程實(shí)際操作中的不斷的積累才可以有一個(gè)大概的數(shù)值。
3.2.4 加強(qiáng)理論研究
理論研究基礎(chǔ)薄弱,對(duì)粉煤灰微電解機(jī)理及動(dòng)力學(xué)的研究還不夠透徹,多數(shù)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。所以要重視粉煤灰微電解處理廢水的過(guò)程機(jī)理及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等理論的研究，只有這樣才能夠在提高粉煤灰的煤灰微效率方面有所突破。另外，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)用性技術(shù)及配套設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)，使科學(xué)技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，從而促進(jìn)粉煤灰在廢水處理領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
