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鐵泥基催化劑非均相Fenton深度處理造紙廢水

作者:羅清 薛偉 張安龍 宗曉寧 井天昊 宋剛來源:《中國造紙》日期:2022-06-18人氣:2034

2020年全國紙漿消耗總量10200萬t,廢紙漿占紙漿消耗總量55%[1]。廢紙制漿需要脫除大量的油墨、顏料和微細膠黏物[2],該類物質(zhì)的產(chǎn)生使造紙廢水負荷增[3-4]。GB 3544—2008《制漿造紙工業(yè)水污染排放標準》頒布與實施后,廢紙造紙廢水經(jīng)物化和生化處理已無法達到最新的國家排放限值。針對該情況,國內(nèi)很多制漿造紙廠采用Fenton高級氧化工藝作為深度處理造紙廢水的方[5]。Fenton氧化反應(yīng)由Fe2+引發(fā)H2O2分解,產(chǎn)生高活性的·OH,攻擊和破壞難降解有機污染物結(jié)構(gòu)[6-7],達到解毒、脫色和分解有機物的目的;反應(yīng)結(jié)束后溶液中的鐵催化劑與有機物結(jié)合,形成Fenton污泥,該污泥中含鐵量可達30%~40%,屬于富鐵污[5-6]。

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[8] 通過共沉淀法,在800℃下燒結(jié),成功合成了磁性NiFe2O4顆粒,將苯酚作為模擬污染物,去除效率高達(95±3.4) %。陳麗群等[9]利用木質(zhì)素和Fenton污泥成功合成污泥基生物炭用于吸附亞甲基藍,去除率高達96%。在污泥資源化的過程中,生成的催化劑、吸附劑等在反應(yīng)后依舊存在泥水分離困難的問題。因此,尋找一種更合適的資源化方法是處置Fenton污泥的關(guān)鍵。

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)果如表1所示。

表1  廢水水質(zhì)指標
Table 1  Water quality index of wastewater
pH值CODCr/mg·L-1色度/PCU氨氮/ mg·L-1
7.2~7.8120~160140~16013~22

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。

1.4 分析方法

采用5B-6C型COD快速測定儀測量溶液的CODCr,參考HJ/T 345—2007《水質(zhì)鐵的測定 鄰菲啰啉分光光度法(試行)》繪制鐵標準曲線(圖1)并測定溶液中總鐵及亞鐵的含量,所有實驗均設(shè)置3個平行樣。

圖1  鐵標準曲線

Fig. 1  Iron standard curve

圖1可知,鐵含量與吸光度具有良好的線性關(guān)系,標準曲線為y=0.00434x-0.00143;相關(guān)系數(shù)R2為0.997。

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e2+的非均相Fenton催化劑。為了探究構(gòu)成催化劑的骨架材料和催化物質(zhì),通過X射線衍射儀對催化劑進行物相分析,結(jié)果如圖2所示。

圖2  鐵泥基催化劑的XRD譜圖

Fig. 2  XRD spectrum of iron sludge-based catalysts

圖2可以看出,鐵泥基催化劑中的主要結(jié)晶相為鈉長石(NaAlSi3O8)、鈣長石(CaAl2Si2O8)、輝綠巖(Mg3Al2(SiO4)3)等鋁硅酸鹽和硅酸鹽物質(zhì),該類物質(zhì)構(gòu)成了催化劑的骨架,增強了催化劑的抗壓性能。而原料中的Fenton污泥在高溫?zé)峤獾臈l件下Fe主要以磁鐵礦(Fe3O4)和氧化物(Fe2O3)的形式存在;Fe在2θ = 44.70°和 65.16°處出現(xiàn)強衍射峰,分別對應(yīng)Fe(110)和(200)晶面的衍射峰(PDF#06-0696[10-12],從而初步證實Fe元素的存在。Fe3O4和Fe在酸性條件下,都可以釋放Fe2+,進而催化H2O2分解產(chǎn)生·OH礦化有機[13-14]。但根據(jù)本課題組先前的探[15],在空氣氣氛熱解條件下制備的鐵泥基催化劑要實現(xiàn)和均相Fenton相同的CODCr去除率必須添加外源Fe。因此根據(jù)本研究廢水處理的實驗結(jié)果和XRD分析可以判斷,催化劑熱解過程中生成了Fe。

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所示。

  

  

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

圖3可以看出,催化劑表面和內(nèi)部均有明顯的孔隙結(jié)構(gòu),這有利于廢水進入催化劑中使催化劑Fe2+溶出,粗糙的表面也為活性物質(zhì)提供了大量的反應(yīng)位[15-16];同時,催化劑也有相當大的比表面積(230 m2/g),使得部分有機物的降解發(fā)生在催化劑的表面,增強了催化劑的催化性能,減少了污泥的產(chǎn)生量。

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所示。

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

圖4可知,當反應(yīng)時間80 min時,隨pH值的增大,廢水CODCr去除率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。pH值為2.5時,CODCr去除率最高為58.5%。鐵泥基催化劑非均相Fenton相較于均相Fenton的最適宜pH值降低(pH值為3~4),這是因為非均相Fenton反應(yīng)過程中未添加外源Fe,反應(yīng)體系中Fe2+溶出的過程中會額外消耗一部分酸,導(dǎo)致pH值降低。pH值<2時,F(xiàn)e2+大量溶出,反應(yīng)后產(chǎn)生大量的灰綠色絮體,靜置沉降過程中部分沉淀被氧化,導(dǎo)致部分與Fe2+結(jié)合沉降的有機物脫離,造成出水CODCr和色度的升高;pH值≥3時,F(xiàn)e2+生成速率降低,導(dǎo)致Fenton反應(yīng)難以進行,·OH的產(chǎn)量減少(反應(yīng)式(1)[17],有機物難以被降解。隨著反應(yīng)的推進,實測體系pH值會升高至4.5~6.0,此時,F(xiàn)e3+在溶液中極易生成Fe(OH)3絡(luò)合物,該絡(luò)合物會催化H2O2無效分解為O2和H2O[18],導(dǎo)致反應(yīng)速率急劇下降。因此,選擇最佳pH值為2.5進行后續(xù)影響因素的探究。



(1)



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所示。

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

圖5可知,反應(yīng)進行到100 min,當m(CODCr)∶m(H2O2)≤1∶1.5時,廢水CODCr去除率從46.7%增加到60.2%;但是隨著H2O2的繼續(xù)添加,廢水CODCr去除率逐漸降低。通過反應(yīng)式(1)可知,反應(yīng)初始階段,H2O2濃度的增加,有利于產(chǎn)生更多的·OH攻擊芳香結(jié)構(gòu),使廢水的CODCr[19-20];但當m(CODCr)∶m(H2O2)>1∶1.5時,氧化劑的添加不會再引起有機污染物的顯著降解,且溶液中過量的H2O2將作為·OH的清除劑,產(chǎn)生氧化能力較弱的·O2H(反應(yīng)式(2)),這將會嚴重影響體系的降解效[1721]。因此,本研究選擇m(CODCr)∶m(H2O2)=1∶1.5為最佳的氧化劑H2O2添加量。


(2


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所示。

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

圖6可知,隨著催化劑投加量的增加,在0~60 min內(nèi),CODCr去除率逐漸增加;60 min后,廢水CODCr去除率先增加后減小。反應(yīng)進行到100 min,催化劑的投加量為15 g/L時,CODCr的去除率達到最高為66.7%。在非均相Fenton反應(yīng)體系中,催化劑溶出Fe2+,催化H2O2產(chǎn)生·OH礦化有機污染物,實現(xiàn)污染物的降解。在pH值相同的條件下,催化劑的量越多,溶出的Fe2+越多,越有利于反應(yīng)的正向進行(反應(yīng)式(1))。但隨時間的推移,溶液中將會有大量的Fe(OH)3絡(luò)合物生成,Cao等[8]的研究也證實了生成的Fe(OH)3絡(luò)合物會導(dǎo)致CODCr去除率降低。因此,當催化劑的投加量為15 g/L時,體系中溶出的Fe2+催化H2O2的分解達到了動態(tài)平衡,促進有機污染物的降解,廢水CODCr去除率達到最高。

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Fe2+催化H2O2產(chǎn)生·OH,隨著反應(yīng)的進行,部分有機物的催化降解發(fā)生在催化劑界面上,分解的大分子有機物會附著在催化表面和內(nèi)部,導(dǎo)致催化能力下[15-16]。因此,本研究設(shè)置反應(yīng)體系pH值為2.5,m(CODCr)∶m(H2O2)= 1∶1.5,催化劑投加量為15 g/L,反應(yīng)時間為240 min。每隔20 min取樣測試,計算CODCr和色度去除效率,結(jié)果如圖7所示。

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

圖7可知,在0~100 min內(nèi),CODCr去除率迅速增加至61.5%,色度去除率在20 min時達到73.9%,此后逐漸增加至83.7%;100 min后,CODCr去除率緩慢增加至最大65.5%,廢水的色度去除率均高于80%。由實驗結(jié)果可得,反應(yīng)初期CODCr去除率的快速增加是由于反應(yīng)體系pH值較低,催化劑溶出Fe2+的速率快,催化H2O2產(chǎn)生·OH量增多,此時,有機物的降解在溶液中和催化劑界面上同時發(fā)[22]。隨著時間的推移,反應(yīng)體系的pH值增加,F(xiàn)e2+溶出的速率變得極其緩慢,而非均相Fenton氧化反應(yīng)生成的Fe3+會阻礙Fenton反應(yīng)的正向進行(反應(yīng)式(1)),即使Fe3+也可以催化H2O2生成·O2H[21],但是其反應(yīng)速率極其緩慢(K=10-3~10-2 mol/(L·s)[17],見反應(yīng)式(3)和式(4),對反應(yīng)貢獻不是很大。100 min后,廢水CODCr去除率緩慢增加的原因可能有兩種:①催化劑的表面被Fe3+和有機物的絡(luò)合物覆蓋,溶出Fe2+較困難,導(dǎo)致非均相Fenton氧化反應(yīng)的場所很可能轉(zhuǎn)移到催化劑的內(nèi)部;②反應(yīng)體系中H2O2的量減少,產(chǎn)生的活性基團相應(yīng)減少。


(3



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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)果如表2所示。

表2  均相Fenton、非均相Fenton污泥產(chǎn)量
Table 2  Sludge yields of homogeneous Fenton and heterogeneous Fenton
處理工藝污泥產(chǎn)量(絕干)/g·L-1鐵泥減少率/%
均相Fenton氧化0.50~0.550(基準)
非均相Fenton氧化0.03~0.0591 ~94

表2可知,在廢紙造紙廢水處理過程中,非均相Fenton氧化工藝幾乎不產(chǎn)生Fenton污泥,污泥產(chǎn)量僅為0.045 g/L;與均相Fenton氧化工藝相比,非均相Fenton氧化工藝的污泥產(chǎn)量減少了91%~94%。這是因為鐵泥基催化劑表面粗糙,并且內(nèi)部孔隙(圖3)豐富,使得催化反應(yīng)發(fā)生在催化劑的表面和內(nèi)部,阻止了催化物質(zhì)在酸性條件下大量溶[23];經(jīng)過反應(yīng)生成的Fe3+可以與有機物共同附著在多孔催化劑表面,從而使污泥產(chǎn)量大大降低。

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所示。

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

圖8可以看出,隨著催化劑使用次數(shù)的增加,后續(xù)廢水CODCr去除率均有所下降,其中第4次和第5次CODCr去除率分別為60.6%、59.3%,相比第1次(65.2%),分別下降4.6個百分點、5.9個百分點。這可能是由于在廢水處理的過程中,部分有機物的降解發(fā)生在催化劑的內(nèi)部,根據(jù)反應(yīng)式(1),反應(yīng)結(jié)束后會有Fe3+生成,F(xiàn)e3+與部分有機物形成大分子絡(luò)合物截留在催化劑的內(nèi)[17],用乙醇和去離子水根本無法將催化劑內(nèi)部的部分有機物沖洗干凈,導(dǎo)致催化劑的反應(yīng)活性位點減少,造成廢水CODCr去除率下降。

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Fe2+浸出的非均相Fenton催化氧化反應(yīng)體[24],實驗根據(jù)HJ/T 345—2007《水質(zhì)鐵的測定 鄰菲啰啉分光光度法(試行)》中的方法測定反應(yīng)體系中總Fe及Fe2+的含[25],結(jié)果如表3所示。

表3  均相Fenton、非均相Fenton反應(yīng)體系中總Fe及Fe2+的含量
Table 3  Contents of total iron and Fe2+ in homogeneous Fenton and heterogeneous Fenton reaction systems
處理工藝總Fe含量/ mg·L-1Fe2+含量/ mg·L-1
均相Fenton氧化238.6135.62
非均相Fenton氧化20.4114.14

表3可知,非均相Fenton反應(yīng)體系中,鐵泥基催化劑在酸性條件下有部分Fe溶出,并且反應(yīng)過程中有Fe2+生成,由反應(yīng)式(1)可知,生成的Fe2+會催化H2O2產(chǎn)生·OH,有機污染物被·OH氧化成小分子物質(zhì),甚至有部分有機物被礦化形成CO2和H2O,最終實現(xiàn)污染物的高效降[26],這與均相Fenton氧化反應(yīng)降解有機污染物的機理一致。表3中均相Fenton氧化反應(yīng)體系中的總Fe及Fe2+的含量分別約為非均相Fenton氧化反應(yīng)體系中總鐵及Fe2+含量的11.7倍和2.5倍。一方面,總Fe含量較高,會導(dǎo)致反應(yīng)結(jié)束后Fenton污泥的產(chǎn)量增加,污泥處置成本增加,這與表2兩種處理工藝污泥產(chǎn)量的差距的結(jié)果是一致的;另一方面,在相同的CODCr去除率情況下,相較于總Fe含量,兩種處理工藝中Fe2+含量差距并不是很大,均相Fenton反應(yīng)后期體系中Fe2+含量的急劇降低會導(dǎo)致Fenton反應(yīng)效率降低,而非均相Fenton反應(yīng)體系中的Fe2+含量遠低于均相Fenton體系,這也可以推測出非均相Fenton反應(yīng)不僅在水溶液中發(fā)生,同時催化劑的表面和內(nèi)部也提供了有機污染物降解的反應(yīng)場所。

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 m2/g,孔隙率為43.17%。通過物相分析和實驗對比,催化劑在熱解過程中生成鈣長石、鈉長石等骨架材料,抗壓強度增加;同時生成Fe作為主要的催化物質(zhì)引發(fā)非均相Fenton氧化反應(yīng)。

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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