鐵泥基催化劑非均相Fenton深度處理造紙廢水
2020年全國紙漿消耗總量10200萬t,廢紙漿占紙漿消耗總量55
Fenton 污泥含水量高,有大量的金屬成分以及有機質(zhì)、腐殖酸等有害物質(zhì),不適合采用傳統(tǒng)的填埋和焚燒處置;由于其含鐵量較高,有許多學(xué)者將其經(jīng)過其他熱化學(xué)、物理等手段進行資源化利用。Cao等
本研究從固廢高值化利用及廢水達標排放的角度出發(fā),以Fenton污泥為主要原料,復(fù)配粉煤灰、煤泥、羧甲基纖維素鈉,采用高溫?zé)峤獾姆绞街苽渌幚龛F泥基催化劑;并進行廢紙造紙二沉池出水的非均相Fenton深度處理。探究pH值、H2O2添加量、催化劑投加量對CODCr去除率的影響,以期建立一套經(jīng)濟、高效的水處理工藝;并通過循環(huán)水處理實驗,探究催化劑的可再生性能。
1 實 驗
1.1 原料
實驗所用的粉煤灰取自陜西榆林某電廠,F(xiàn)enton污泥取自陜西關(guān)中某造紙廢水處理廠,煤泥取自山西柳林某選煤廠。實驗用水取自山西某造紙廠產(chǎn)生的廢紙造紙廢水二沉池出水,4℃冷藏保存并及時測試水質(zhì)指標,結(jié)果如
1.2 試劑與儀器
羧甲基纖維素鈉(CMC)、過氧化氫(H2O2,質(zhì)量分數(shù)30%)、硫酸亞鐵、氫氧化鈉、硫酸、聚丙烯酰胺(PAM)均為分析純。
GSL-1500X型真空管式高溫?zé)Y(jié)爐,合肥科晶材料技術(shù)有限公司;BT100S型蠕動泵,雷弗流體科技有限公司;5B-6C 型COD快速測定儀,連華科技有限公司;EFS-3D型色度測定儀,合肥恩帆科技有限公司。
1.3 實驗方法
1.3.1 鐵泥基催化劑的制備
經(jīng)預(yù)處理的Fenton污泥、粉煤灰、煤泥,以質(zhì)量比5∶3∶2混合均勻,100 g原料中添加10 mL質(zhì)量分數(shù)為3%的CMC溶液制備成球。經(jīng)105℃干燥得到生料球。通過高溫?zé)Y(jié)的方式將生料球制備成鐵泥基催化劑。燒結(jié)工藝為:400℃預(yù)熱30 min,950℃保溫40 min,升溫速率為5℃/min;N2氣氛,流量為100~150 mL/min。
1.3.2 廢水處理
均相Fenton氧化:取150 mL廢水于200 mL燒杯中,調(diào)節(jié)pH值到3,加入一定量的FeSO4·7H2O,攪拌至FeSO4·7H2O完全溶解后加入一定量的H2O2,以500 r/min攪拌反應(yīng)一段時間。結(jié)束后,調(diào)節(jié)廢水的pH值到7.0~7.5,滴加數(shù)滴質(zhì)量分數(shù)0.1%的PAM溶液,100 r/min攪拌脫氣2 min;靜置60 min后取上清液測定其CODCr、色度,并抽濾測其污泥產(chǎn)量。
非均相Fenton氧化:稱取一定質(zhì)量的鐵泥基催化劑置于固定床反應(yīng)器中,取400 mL廢水于500 mL燒杯中,滴加質(zhì)量分數(shù)20%的稀硫酸和質(zhì)量分數(shù)20%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)至實驗所需pH值,隨后添加一定量的H2O2,攪拌均勻后立即開啟蠕動泵,蠕動泵流量為180~200 mL/min;每隔20 min取50 mL水樣調(diào)節(jié)pH值至7.0~7.5之間,滴加數(shù)滴質(zhì)量分數(shù)0.1%的PAM溶液,以100 r/min攪拌脫氣2 min;靜置后取上清液測定其CODCr、色度。
2 結(jié)果與討論
2.1 鐵泥基催化劑的物相組成分析及形貌表征
以Fenton污泥、粉煤灰、煤泥為原料,通過高溫?zé)峤獾姆绞街苽涑隹箟簭姸却螅梢葬尫臚
圖2 鐵泥基催化劑的XRD譜圖
Fig. 2 XRD spectrum of iron sludge-based catalysts
從
為了解鐵泥基催化劑的形貌特征,對其表面和斷面進行SEM掃描,結(jié)果如
圖3 鐵泥基催化劑表面和斷面的SEM圖
Fig. 3 SEM images of surface and section of iron sludge-based catalyst
從
2.2 非均相Fenton反應(yīng)處理廢水的影響因素
2.2.1 反應(yīng)體系pH值
非均相Fenton催化反應(yīng)體系的pH值會對催化劑的活性及穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響,進而影響有機污染物的去除效率。為了探究pH值對造紙廢水CODCr去除率的影響,設(shè)置其他反應(yīng)條件為:m(CODCr)∶m(H2O2)=1∶1,催化劑的投加量20 g/L,滴加質(zhì)量分數(shù)20%稀硫酸和質(zhì)量分數(shù)20%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)廢水的pH值分別為1.5、2.0、2.5、3.0;每隔20 min取樣測試,計算得出CODCr去除率,結(jié)果如
圖4 反應(yīng)體系pH值對廢水CODCr去除率的影響
Fig. 4 Effect of reaction system pH value on CODCr removal rate of wastewater
由
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2.2.2 H2O2添加量
H2O2是非均相Fenton工藝反應(yīng)過程中活性物質(zhì)產(chǎn)生的來源。為了探究H2O2添加量對CODCr去除率的影響,設(shè)置反應(yīng)體系pH值為2.5,催化劑的投加量為20 g/L,改變m(CODCr)∶m(H2O2)分別為1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5。每隔20 min取樣測試,計算CODCr去除率,結(jié)果如
圖5 H2O2添加量對廢水CODCr去除率的影響
Fig. 5 Effect of H2O2 dosage on CODCr removal rate of wastewater
由
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2.2.3 催化劑投加量
鐵泥基催化劑作為非均相Fenton氧化反應(yīng)的催化劑,在不添加外源鐵的情況下,適當?shù)拇呋瘎┨砑恿繉⒃鰪姀U水CODCr去除效率。本課題設(shè)置反應(yīng)體系 pH值為2.5,m(CODCr)∶m(H2O2)=1∶1.5,改變催化劑的投加量為10~30 g/L。每隔20 min取樣測試,計算CODCr去除效率,結(jié)果如
圖6 催化劑投加量對廢水CODCr去除率的影響
Fig. 6 Effect of catalyst dosage on CODCr removal rate of wastewater
由
2.2.4 反應(yīng)時間
在非均相Fenton反應(yīng)中,鐵泥基催化劑釋放F
圖7 反應(yīng)時間對廢水CODCr和色度去除率的影響
Fig. 7 Effect of reaction time on CODCr and color removal rate of wastewater
由
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(4) |
2.3 均相Fenton和非均相Fenton污泥產(chǎn)量的對比
在實際生產(chǎn)過程中,均相Fenton反應(yīng)會產(chǎn)生大量的Fenton污泥,污泥不但污染環(huán)境,而且脫水困難,處置成本高,導(dǎo)致廢水處理成本升高,均相Fenton氧化工藝推廣困難。實驗中,通過均相Fenton和非均相Fenton兩種工藝分別處理生化出水,混凝后測定兩種工藝的污泥產(chǎn)量,其結(jié)果如
由
2.4 催化劑的再生催化性能
在造紙廢水深度處理過程中,鐵泥基催化劑循環(huán)利用在很大程度上將會降低廢水處理成本。為了研究Fenton污泥基催化劑的循環(huán)利用性能,將催化劑過篩分離,用乙醇和去離子水洗滌,重復(fù)3遍,40℃干燥12 h后用于造紙廢水深度處理,結(jié)果如
圖8 催化劑使用次數(shù)對廢水CODCr去除率的影響
Fig. 8 Effect of catalyst usage times on CODCr removal rate of wastewater
由
2.5 均相Fenton、非均相Fenton反應(yīng)體系中總Fe及Fe2+ 的含量對比
鐵泥基催化劑催化降解造紙廢水生化出水的過程中,該反應(yīng)體系并未添加外源Fe作為催化劑引發(fā)H2O2產(chǎn)生·OH。作為F
由
3 結(jié) 論
3.1 采用高溫?zé)峤獾姆椒ㄖ苽淞髓F泥基催化劑,并將其應(yīng)用于廢紙造紙廢水非均相Fenton深度處理。該催化劑表面粗糙、孔隙豐富,其比表面積為230
3.2 非均相Fenton催化氧化深度處理廢紙造紙廢水的最佳反應(yīng)條件:體系初始pH值=2.5、催化劑投加量15 g/L、m(CODCr)∶m(H2O2)=1∶1.5、反應(yīng)時間100 min時,CODCr去除率為66.7%,色度去除率高于80%,污泥產(chǎn)量比均相Fenton降低了91%~94%。
3.3 催化劑經(jīng)過5次預(yù)處理回用后,廢紙造紙廢水的CODCr去除率僅下降5.9個百分點,表明Fenton污泥基催化劑具有較穩(wěn)定的催化性能。
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