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海绵铁在水处理中的研究现状及存在问题

发布时间:2020/03/08     浏览:

讲述了新型水处理材料海绵铁在锅炉除氧和含磷废水、有机印染废水、电镀废水中的试验研究及应用现状,指出了其中存在的问题及进一步的研究方向。

海绵铁是一种新型水处理材料,它是由精矿粉和氧化铁磷经过研磨、磁选后再高温烧结,然后冷却、冲洗、破碎,再重新磁选和筛选而制得的低价多孔状颗粒物质,其主要组成及各项性能指标见表1。

表1

全铁(%) 金属铁(%) 碳及其他杂质(%) 密度(g/cm3 堆积密度(g/cm3 粒径(mm) 外观
96-97 90 3-4 2.3-2.7 1.7-1.88 0.5-3.0 灰黑色有亮点、疏松海绵状

就成分而论,海绵铁与传统水处理中铁屑威尼斯很相似,它具有比表面积大、比表面能高以及电化学富集、氧化还原、物理吸附、絮凝沉淀性能更好等特点,且其价格低廉、再生简单,故近年来越来越受到关注。

1在水处理中的应用

1.1溶解氧的存在是钢铁管件和锅炉被腐蚀的主要原因之一。海绵铁除氧是近年来新兴的有较好发展前景的除氧方法,其处理后的出水溶解氧含量<0.05mg/L。海绵铁除氧是利用电化学除氧原理,其产物氢氧化铁具有较高的Zeta电位,是带电的胶体,其表面吸附能力强,可大量吸附离子,当水中钙、镁盐类晶体刚刚形成时,其核心聚集在Fe(OH)3胶体表面,使其晶格的生长受到干扰,变为可随水流动的水渣,这可以达到防垢的目的。

当海绵铁反应生成的Fe(OH)3累积到一定程度后,经反冲洗即可恢复初始除氧能力。

海绵铁除氧与传统的除氧方法相比,操作方便,系统简单,常温下即可运行,节省能源且除氧效率高、效果稳定,出水符合国家锅炉水质标准。

1.2海绵铁对废水中的磷去除效果显著,笔者通过模拟试验得出以海绵铁作为吸附剂去除水中磷的较佳试验条件:粒径为0.5-1.0mm,吸附温度为25℃,pH值为4-6,静态接触时间为20min。

海绵铁对磷的吸附过程符合Langmuir吸附等温式。通过对吸附前后的海绵铁进行电子显微镜扫描及表面光电子能谱扫描可以看出,在该吸附过程中海绵铁表面包裹了一层厚厚的膜,部分表面孔径被覆盖,孔隙率减小。以3.5%的硫酸作为再生液,再生效率可达90%。酸对吸附剂的有效再生能力验证了吸附剂表面生成磷酸铁膜的情况,由此可判断,该吸附过程是物理吸附和化学吸附的综合作用。

1.3海绵铁是由铁和碳组成的合金,即由纯铁和Fe3C及一些杂质组成。Fe3C和其他杂质颗粒以较小的颗粒形式分散在海绵铁内,由于它们的电极电位比铁高,当处在电解质溶液中时,就形成了无数个腐蚀微电池,当体系中有活性炭等宏观阴极材料存在时,又可以组成宏观腐蚀电池。

电极反应生成的新生态Fe2+和进一步氧化生成Fe3+以及Fe3+的水合物具有较强的吸附—絮凝活性,特别是在加碱调pH值后生成了Fe(OH)2和Fe(OH)3胶体聚凝剂,它的吸附能力高于一般药剂水解得到的Fe(OH)3,能大量吸附分散的微小颗粒、金属粒子以及有机大分子,从而絮凝沉淀下来。

在中性或偏酸性的环境中,海绵铁本身及其所产生的新生态[H]、Fe2+等能与废水中许多组分发生氧化还原反应,如能破坏有色废水中有色物质的发色团或助色团,从而可以脱色,降低COD及提高可生化性,还可以还原重金属离子、降低其毒性等。

另外,由于电池的电极周围存在电场效应,使溶液中带电粒子在电场作用下定向移动,富集并汇集到电极上,从而有利于除去印染废水中污染物。

用海绵铁腐蚀电池法对兰州某毛纺厂综合污水进行了处理研究,结果表明印染废水经过海绵铁处理后,脱色率达到82.86%-97.09%,COD去除率为35%-42%,污水B/C值由0.24-0.27升为0.45,大大提高了废水的可生化性,为废水进一步生化处理提供了保证。

1.4海绵铁作为一种比表面积较大的吸附剂,对电镀废水中的Cr3+、Cr6+、氰化物等有一定的吸附作用。对Cr6+的吸附属于Ⅰ型吸附,可用弗兰德利希吸附等温线来分析,对Cr6+的吸附去除率在10%左右。

海绵铁在电镀废水中会形成原电池。在电池反应中铁被腐蚀消耗,失去电子生成二价铁离子,在有阴离子或酸根离子(如Cl-、SOFe(OH)24等)存在的情况下形成Fe2+的凝胶中心,是很好的络合剂;同时Fe2+也进一步被氧化成Fe3+,还原废水中的Cr6+,降低毒性;海绵铁作为低价的电子提供者,在自身被还原的同时还可还原电镀废水中的氰化物,生成了无毒的氮气,从而去除氰化物的污染。

采用海绵铁处理电镀废水,内电解法净化占主导因素,而吸附作用贡献较小。

海绵铁处理电镀废水已成功应用于铁道部四方车辆厂。该厂采用“高效微电解反应器+斜板沉淀+深度净水器”处理工艺,于2000年4月投入生产。处理结果见表2。

表2

项目 Cr6+(mg/L) Zn2+(mg/L) pH 总铬(mg/L)
原水 6 4 3-10  
出水 0.010 0 8.42 0.014
排放标准 0.5 5.0 6-9 1.5

由表2可见,出水水质符合《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中的一级标准。

2存在问题及发展趋势

①虽然海绵铁的组成成分已基本清楚,但作为一种金属吸附剂时,其重要的两个表面性质(即比表面积和表面孔隙结构状况)还未见报道。故对其物理、化学、表面性质进行进一步研究十分必要。

②海绵铁无论是用在锅炉除氧中还是用在含磷废水、有机印染废水、电镀废水的处理中都是采用固定床操作方式,虽然与铁屑相比板结现象有所减缓,但是仍然十分严重。

铁道部四方车辆厂利用海绵铁处理电镀废水时,海绵铁微电解反应器经过一段时间的运行后,出现板结,继而出现沟流现象,从而降低了处理效果。

兰州天际环保有限企业提出了气水联合反冲洗工艺,并结合传统的污水处理理论采用均匀布水和定期反冲或气水联合反冲相结合的方式,使海绵铁部分呈流态化,部分解决了板结问题,但仍不彻底,因此,海绵铁的板结问题仍然十分突出,需研究解决。

③当海绵铁用于除氧时,在除去水中溶解氧使其达标的同时溶出了Fe2+,其含量一般在2-6mg/L,超出了国家标准。目前解决Fe2+超标的方法是增设软化设备。由于Fe2+含量不高,软化设备可控制较大流速,以低运行成本。

在含磷废水处理中,由于其较佳pH值为4-6,酸性较强,海绵铁损失严重,处理水稍显浅绿色,放置片刻后为黄色,由此可知出水中也存在溶解性铁离子,其含量是否超过国家标准需进行检测,如果超标需研究适当的处理方法。

④采用海绵铁处理电镀废水时,铁阳极在产生亚铁离子的同时,由于阳极区氢离子的消耗和氢氧根离子浓度的增加,引起氢氧根离子在铁阳极上放出电子,结果生成铁的氧化物,使铁板阳极表面上生成一层不溶性的钝化膜,这种钝化膜具有吸附能力,使阳极表面上粘附一层棕褐色的吸附物(主要是氢氧化铁),从而影响处理效果。对此需继续探讨研究。

3结论

①海绵铁价格低廉、来源丰富,用于水处理中成本低,而且设备比较简单,操作容易,管理方便。

②海绵铁用于有机印染废水、电镀废水、含磷废水的处理以及锅炉除氧都有明显效果,值得进一步研究开发。

③海绵铁既可用于家庭的小型设备,也可用于工业中的中型设备和自来水厂的大型设备,应用前景广阔,是一种有发展前途的水处理材料。

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