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由图1可知,铁碳总投加量为0.15g时,逐渐增加AC的用量,体系中会形成更多原电池,加快电子转移,促进高活性的Fe2+与[H]的形成,SO4-·产量增加。m(Fe0):m(AC)为2:3时,COD去除率最高达63.4%,色度去除率为96.4%。
m(Fe0):m(AC)>1:1时,Fe0的量越大,溶液中残留的铁越多,可能引起色度增加;m(Fe0):m(AC)为1:2时,由于Fe0减少导致形成的原电池减少,最终产生的SO4-·减少,由图1也可看出此时PS有所剩余。实验确定最佳m(Fe0):m(AC)为2:3。
04 铁碳总投加量对废水深度处理效果的影响
在反应时间为150min、pH=5、m(Fe0):m(AC)为2:3、PS投加量为7.5mmol/L的条件下,考察铁碳总投加量对造纸废水深度处理效果的影响,结果如图2所示。
图2 铁碳总投加量对废水深度处理效果的影响
由图2可以看出,随着铁碳投加量的增加,COD和色度去除率均逐渐升高后趋于平缓,总投加量为0.15g时去除率最高,分别为62.9%、96.7%。铁碳投加量增加使得体系中的原电池增加,高活性的Fe2+、[H]和强氧化性的SO4-·也越多,但PS的量一定,因此继续增加铁碳用量,COD和色度的去除率未进一步提高。
图2中,铁碳投加量为0.15、0.175g时,PS被消耗完全,但去除率几乎没有变化。因此,铁碳最佳总投加量为0.15g。
05 PS投加量对废水深度处理效果的影响
在反应时间为150min、pH为5、m(Fe0):m(AC)为2:3、铁碳总投加量为0.15g的条件下,考察PS投加量对造纸废水深度处理效果的影响,结果如图3所示。
图3 PS投加量对废水深度处理效果的影响
由图3可见,当PS投加量从2.5mmol/L增加至7.5mmol/L,COD去除率从43%提高至63%,色度去除率从87%提高至96%;PS从7.5mmol/L增至15mmol/L,COD和色度去除率几乎没有变化。
此外,PS投加量<7.5mmol/L时,PS消耗完全,产生的SO4·-不足以氧化有机物;PS投加量>7.5mmol/L时,过多PS会消耗一部分SO4-·,导致处理效率降低,且高浓度PS短时间产生过多的SO4-·会产生自身湮灭,降低其利用率。因此,最佳PS投加量确定为7.5mmol/L。
06 不同体系下的深度处理效果比较
图4 为不同反应体系对造纸废水的深度处理效果。
图4 不同反应体系下造纸废水深度处理的效果比较
由图4可以看出,AC经反复吸附后已接近饱和状态,仅能去除少量COD和色度;单独PS处理对废水COD几乎没有去除作用;Fe0因具有一定还原性,可将部分有机物还原,去除少量COD及色度,反应150min时COD去除率为16.7%,色度去除率70%。
AC对PS有一定活化作用,在PS/AC体系中,COD去除率为24.4%,色度去除率为65%。Fe0/AC体系可形成微电解,产生高活性的Fe2+和[H]破坏有机物的结构,且反应生成的Fe(OH)2和Fe(OH)3具有絮凝作用,可去除部分有机物;对比Fe0/PS与Fe0/AC+PS体系,可见AC的加入能提高废水COD及色度的去除率;Fe0/AC+PS体系处理后的废水COD在49mg/L左右,色度在10度左右,均可达到GB3544—2008排放标准要求,能够达标排放。
07 处理前后废水红外光谱分析
取Fe0/PS体系和Fe0/AC+PS体系处理后的废水及原水进行红外光谱分析。
红外谱图显示,3200~3600cm-1处的吸收峰为O—H伸缩振动,可能是水中的O—H,也可能为有机物中的O—H。1760cm-1处为羧基的C=O伸缩振动,说明废水含有酸类物质。2929cm-1处为烷烃C—H的伸缩振动,2720cm-1处为醛基伸缩振动。炔烃C≡C伸缩振动的吸收峰通常出现在2140~2260cm-1,但由于造纸废水中存在大量吸电子基团,使得炔烃类物质的吸收峰出现在2100cm-1。1640cm-1处的吸收峰为芳香族化合物大π键的共轭振动,是由于造纸废水中含有大量木素或其降解产物。1445、1360cm-1为烷烃C—H变形振动。690cm-1为苯环氢的面内变形振动。
综上,该造纸废水可能含有芳香族化合物、羧酸类、醛类及醇类物质。废水经过Fe0/PS和Fe0/AC+PS体系处理后,2929、2720、1445cm-13处峰消失,另几处峰的强度均有变化,说明经过Fe0/PS和Fe0/AC+PS体系处理后,芳香族化合物、羧酸类、醛类、醇类物质得到降解或转化,且Fe0/AC+PS体系有较强的降解效果。
08 处理前后废水的紫外-可见光谱分析
取Fe0/PS体系和Fe0/AC+PS体系处理后的废水及原水进行紫外-可见光谱分析,结果如图5所示。
图5 废水处理前后的紫外-可见光谱
如图5所示,原水在200~400nm处有吸收峰,200~210nm内吸收峰的强度较大,是封闭共轭体系中π→π*跃迁产生的E吸收带,可能有酚羟基物质存在。270nm处出现的强度较弱的宽峰,是芳香族和杂芳香族化合物的特征谱带,为B吸收带(苯吸收带),同样也是π→π*跃迁产生。当苯环上有发色基团或助色基团取代基存在并与苯环共轭时,E2吸收带会向长波方向移动,在213nm出现吸收峰。
综上所述,造纸原水中存在一定浓度的苯类化合物及其衍生物。废水经Fe0/PS和Fe0/AC+PS体系处理后,200~210nm范围内的吸收峰强度均降低,说明污染物浓度有所减小;280nm处的吸收峰消失,即一部分苯类化合物已被矿化或降解为小分子化合物;与Fe0/PS体系相比,Fe0/AC+PS体系处理后的废水吸收峰数量更少,强度更低。Fe0/AC+PS体系能够有效降解苯类化合物及其衍生物。
09 反应过程中自由基中间体鉴定
研究表明,乙醇与SO4-·和·OH的反应速率常数相差不大,分别为(1.6×107~7.7×107)L/(mol·s)和1.2×109~2.8×109L/(mol·s),而TBA与SO4-·、·OH的反应速率常数相差将近1000倍,分别为(4.0×105~9.1×105)L/(mol·s)和(3.8×108~7.6×108)L/(mol·s) 。因此,可将乙醇和TBA作为猝灭剂加入反应体系中,通过处理前后甲基紫的变化情况鉴定是否有·OH产生,结果见图6。
图6 不同反应条件下甲基紫随时间变化情况
如图6所示,3种体系中甲基紫均有去除。未加猝灭剂体系的去除率为89.2%,加入TBA体系的甲基紫去除率降至84.7%,加入乙醇体系的甲基紫去除率降至71.2%。体系中可能产生SO4-·和·OH两种自由基。
3 结论
(1)采用铁碳微电解联合过硫酸盐深度处理造纸废水,出水水质可达到造纸工业排放标准要求(GB3544—2008)。
(2)在反应时间为150min、pH为5、m(Fe0): m(AC)为2:3、铁碳总投加量为0.15g、PS投加量为7.5mmol/L的条件下,造纸废水COD去除率在63%左右,色度去除率在95%左右。pH对Fe0/AC+PS体系深度处理造纸废水的影响较复杂,但总体来说酸性条件更有利于该体系对有机污染物的降解。
(3)红外光谱和紫外-可见光谱分析表明,Fe0/AC+PS体系能够有效降解芳香族化合物及其衍生物。
(4)Fe0/AC+PS体系中存在SO4-·和·OH自由基。
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