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膜过滤结合Fenton法处理焦化废水的实验研究

北极星水处理网  来源:《现代化工》  作者:欧阳曙光  2019/9/25 14:59:38  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:焦化废水 膜过滤 Fenton法

北极星水处理网讯:摘要: 焦化废水以其成分复杂、难降解有机物多、COD 排放不达标等问题,给环境带来了严重的威胁。采用合理的实验设计方案,探讨膜过滤结合 Fenton 法处理焦化废水。结果表明,在最佳铸膜液配比、凝固浴温度、预蒸发时间条件下,当添加剂TiO2-Fe3O4 的质量分数为 0. 8%时,所制备出的改性膜具有最优的综合评分,其焦化废水通量达到 115. 23 L /( m2·h) ,COD 截留率达到 90. 2%。该方法可为焦化厂的废水处理提供参考和借鉴。

关键词: 膜过滤; Fenton法; 焦化废水; COD 截留率

现阶段我国焦化厂废水的主要来源有煤炭在高温裂解、煤气净化以及焦炭成形过程中的排水阶段[1]。焦化废水作为一种典型的工业有机废水,含有高浓度的氨、苯酚、氰化物、硫氰酸盐和其他芳香烃,以及各种含氮、氧、硫的杂环化合物,具有高有机负荷、成分复杂、强毒性等特点[2-3],其中大多数化合物被认为对环境有害并且对人类具有遗传毒性风险[4]。我国作为最大的焦炭生产国,在处理焦化废水的污染方面正面临巨大挑战。

目前焦化行业一般采用 A /A /O /O 工艺和 SBR工艺进行焦化污水的处理,但是这 2 种处理方式对焦化废水的色度以及 COD 质量浓度的处理并不理想。随着《炼焦化学工业污染物排放标准》( GB16171—2012) 的颁布以及环保要求的不断提高,对于焦化废水的处理不再局限于达到污水的二级排放标准,而是寻求经济最大化和水资源回用技术,以提高焦化厂的水资源重复利用率[5]。膜技术作为一种分离、提纯、浓缩的新技术,以其工艺简单、能耗低、出水质量好等特点在 21 世纪得到广泛应用,成为时 下 焦化废水深度处理的研究热点之一[6]。

Fenton 法对高浓度有机废水深度处理是目前焦化厂、印染厂、制药厂等企业比较常用的处理方法[7-8]。

笔者以湖北某焦化厂二沉池出水为研究对象, 以聚醚砜为超滤膜的基料,将 Fe3O4 负载在超亲水性、抗菌的无机材料纳米 TiO2 上,从而制备出既亲水又能降低焦化废水化学需氧量的共混 PES 膜。

通过控制无水氯化铁、七水合硫酸亚铁与 TiO2 的比例制备出 TiO2 -Fe3O4 改性剂,并进行平行对照实验,分析其对膜的孔隙率、接触角、水通量、截留率的影响情况,从而确定最适宜的改性剂添加量。

1 实验部分

1. 1  实验材料及仪器

聚醚砜( PES) ,德国巴斯夫生产; N,N-二甲基乙酰胺( DMAC) ; 聚乙烯吡咯烷酮( PVP K-30) ; 二 氧化钛( TiO2 ) ; 七水合硫酸亚铁( FeSO4·7H2O) ; 无 水三氯化铁( FeCl3 ) ; 浓盐酸; 浓氨水; 浓硫酸( 98%H2 SO4 ) ; 重铬酸钾( K2CrO7 ) ; 六水合硫酸亚铁铵( ( NH4 )2Fe( SO4 ) 2·6H2O) ; 1,10 -菲啰啉( 一水合物) ( C10H8N12·H2O) ; 硫酸银 ( Ag2 SO4 ) ; 硫酸汞( HgSO4 ) ; 过氧化氢( 30% H2O2 ) 。 X 射线衍射( XPert PRO MPD) ; 静滴接触角测量仪( JC2000C1) ; 鼓风干燥箱( DZF6050) ; 超声波分散仪( CH-01BM) ; 通量测试仪( 500 mL) ,自制。

1. 2  TiO2-Fe3O4 添加剂的制备

采用共沉淀法制备纳米 TiO2-Fe3O4 颗粒: 称取适量的 TiO2 于装有 100 mL 去离子水的锥形瓶中,用超声波分散仪超声分散 1 h 后,移到三颈烧瓶并加适量 的 稀 盐 酸,用氮气驱氧 30 min 并加热到80℃。再以 n( Fe2+ ) ∶n( Fe3+ ) = 1 ∶2的比例称取适量的七水合硫酸亚铁和无水三氯化铁,溶于 20 mL 去离子水中,并缓慢地滴加到三颈烧瓶中,持续搅拌1 h。准确地量取 1 mL 浓氨水并用去离子水稀释至10 mL,用恒压漏斗逐滴加入到三颈烧瓶中,持续搅拌并老化 2 h,全程控制温度使其恒定 80℃,最后磁分离出产物,用去离子水反复洗涤至溶液呈中性,抽滤后置于 60℃ 的干燥箱中 24 h,冷却后研磨,即得到纳米 TiO2-Fe3O4 复合物。

1. 3 改性膜的制备

采用浸没沉淀相转化法制备膜,以 TiO2 -Fe3O4 为改性剂进行共混改性,设计实验配比,如表 1所示。

按照表 1 的实验配比进行实验,铸膜液在电加热套中以 75℃恒温加热搅拌 12 h 至铸膜液澄清透亮,置于 60℃ 的真空箱内静置脱泡 4 h。脱泡后将铸膜液缓慢地倾倒在玻璃板上,用玻璃棒快速地刮膜,预蒸发 40 s 后将其匀速缓慢地浸没在 30℃ 的去离子水中,待膜自动从玻璃板上脱落,转移入另 1 份去离子水中浸泡,并定期更换去离子水以洗涤膜上残留的铸膜液,2d 后取出在室内自然晾干,装袋备用。

1. 4 性能测试与表征

1. 4. 1 TiO2-Fe3O4 的表征

利用荷兰 PANalytical 分析仪器公司生产的 X衍射仪进行 XRD 测试,分别对 Fe3O4 标准样、TiO2 标准样、制备的添加剂进行表征分析。

1. 4. 2 接触角的测定

将样品裁剪为长条形,贴在 40 mm×20 mm 的载玻片上,利用 JC2000C1 静滴接触角测量仪进行膜接触角的测定。

1. 4. 3 孔隙率的测定

膜的孔隙率的测定采用干湿膜称重法,其计算

式为:ε = [( W1 - W2 ) /ρw]/[( W1 - W2 ) ρw + W1 /ρm] ( 1) 其中: W1 为湿膜的质量,kg; W2 为干膜的质量,kg; ρw 为水的密度,取 0. 998 kg /m3 ; ρm 为膜的密度,取1. 37 kg /m3

1. 4. 4 水通量的测定

利用自制的通量测试仪进行水通量测定,首先将制备好的超滤膜在 0. 1 MPa 下预压 15 min,倒掉去离子水,然后装满混有过氧化氢的焦化废水( 过氧化氢的体积分数为 5%) ,每 10 min 记录 1 次渗透的水的体积,共记 6 组数据。每组膜测量 3 次取平均值,膜水通量的计算式为: J = Q/( A × t) ( 2) 其中: Q 为渗透的水量,L; A 为膜的有效过滤面积, 取 2. 83×10-3 m2 ; t 为过滤时间,h。

1. 4. 5 COD 截留率的测定

利用重铬酸钾法测定 COD,记原始焦化废水的COD 值为 M0 ( mg /L) ,透过膜的滤液的 COD 值为 M1( mg /L) ,COD 截留率的计算式为: R = ( M0 - M1 ) /M0 × 100% ( 3)

2 结果分析与讨论

2. 1 XRD 分析

Fe3O4、TiO2 和复合物的 X 射线衍射图谱如图 1所示。

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