引言
化学实验室废水主要来自学生实验室和各科老师们实验研究。有机物含量多、产出量少、种类丰富、危害作用极大是实验室废水的共同特点[1]。废水又有无机和有机两类。无机废水中以酸碱、硫化物、卤素离子、重金属离子、铵盐为主要污染物[2]。有机废水含有常用有机溶剂、有机酸、醚类、多氯联苯、有机磷化合物、酚类、石油类、油脂类物质[3]。比较之下,含有机类废水比单纯无机类废水危害作用大许多。
我校实验室应遵循废水分类收集、尽量原地处理、以废治废、操作简单[4],若不能及时原地处理,需收集后送往指定地点进行深度处理,达到排放标准后方可排放的原则。同时,由于学校实验室有机废水的特殊性质,处理方法和流程与工业废水、科研单位废水不尽相同,但也有相似之处,可以借鉴这些有机废水的处理。
调研文献发现,处置有机废水的工艺也就包含:物理法、化学法、生物法、混合法四种。基于学校实验室废水的特性,用一般性的物理、生物法处理远远达不到排放标准,而混合法中的物化法不仅能达到预期处理效果,且操作简单,成本低,有利于学校实验室有机废水的长久处理。
Fenton试剂法是一种较新的废水处理,以其氧化能力强,处理废水规模广而得以普遍推行开来,处理结果颇为显著。其反应机理为(1-5)[5,6,7]:
有机蒙脱土常用来处理工业废水[8,9],因此,本文以模拟废水和我校有机实验废水为研究对象,采用Fenton试剂法与有机蒙脱土吸附法处理废水,获得良好的效果。
1.实验部分
(1)废水来源及水质状况
处理的有机废水主要来源于模拟废水和学生教学有机实验室,模拟废水色泽透明,总COD为136.69mg/L,pH值为6.76;实验室真实废水色泽微浑,略带褐色,总COD为177.89mg/L,pH值为6.25。
(2)实验药品与仪器
过氧化氢,30%;硫酸亚铁,分析纯;硫酸银,分析纯;浓硫酸,98%;邻菲罗啉,分析纯;重铬酸钾,优级纯;硫酸亚铁铵,优级纯;氢氧化钠,分析纯,均购于阿拉丁试剂公司,有机蒙脱土由西北工业大学马晓燕课题组提供。
实验仪器:COD回流消解仪,北京优谱通用科技有限公司;pHS-3C型精密酸度计,广州汇谷环保技术有限公司;磁力搅拌器,上海尘通机械设备有限公司。
(3)实验方法
实验水样用量为100mL,倒入烧杯,将其置于磁力搅拌器上中等速度搅拌。废水样的pH值用1mol/L硫酸溶液或5%氢氧化钠溶液调配后,继续根据计算所需量投加FeSO4·7H2O和双氧水至烧杯中,同时把反应时间控制好。让其静止沉淀,在30min后,测定水样的COD值:小心吸取5.0mL上层液体于COD消解瓶中,依次加入5.0mL重铬酸钾溶液、15.0mL硫酸银溶液,盖上消解塞,放入COD消解仪中充分回流消解,完成后拿出放冷至室温,加入45.0mL纯净水,再滴加两滴邻菲罗啉指示剂,用标定过的硫酸亚铁铵标准溶液滴定,根据消耗的毫升数量,可计算出水样的COD值[10]。滴定方法为国标重铬酸钾法(GB 11914-89)[11]。水样化学需氧量可用mg/L来换算记录,硫酸亚铁铵为滴定剂,可用如下公式进行计算[12]:
COD(mg/L)=C(V1-V2)×8000/V0
式中:C—代表滴定剂的浓度,单位:mol/L;
V0—代表水样的体积,单位:mL;
V1—空白试验(超纯水)所消耗的滴定剂毫升数,单位:mL;
V2—水样测定过程中所需要的滴定剂毫升数,单位:mL;
8000—O的摩尔质量以mg/L为单位的换算值。
经过标定得到硫酸亚铁铵标准滴定溶液的浓度为0.0102 mol/L。
取定量废水与适量有机蒙脱土于烧杯中,搅拌一定时间后离心分离,取滤液化验COD含量,然后计算COD去除率[8,9,10]。
2.结果与讨论
(1)有机实验室模拟废水的处理工艺条件
①模拟废水过氧化氢投加量对反应效率的影响
以间二苯酚和甲苯两种有机试剂配制的溶液作为模拟废水,测得模拟废水的总COD为136.69mg/L。在保持pH值=6.76条件下,探讨双氧水及有机蒙脱土用量对COD去除率的影响。向模拟废水中加入适量的硫酸亚铁,随后加入不同量的双氧水,反应30min后,得出当加入5.0mL H2O2时,模拟废水COD去除率达70.6%,实验结果如表1和表2。
②模拟废水中硫酸亚铁的投入量对除去效率的影响
在所取水样中加入5mL H2O2,再分别加入不同量的FeSO4· 7H2O,经过相同反应时间后,取上清液测定水样COD值,实验结果见表2和图2。在1～10号烧杯中都加入100mL水样,并于各个烧杯中添加不同量的FeSO4·7H2O,再缓缓加入5.0mL H2O2,反应完成后,在消解仪中回流消解,用重铬酸钾法进行测定其COD值。
FeSO4·7H2O的用量对COD的去除率有着重要的影响。若硫酸亚铁使用量较少时,·OH的产生量较小;若用量过多,在反应最初阶段,产生的·OH过多,易进行自身结合而反应生成H2O,使得·OH反而减少。并且硫酸亚铁加入过多会使溶液颜色加深,对后续处理不利。由表2和图2可得硫酸亚铁的投入量在3.0g时废水COD去除率高达77.1%。
③模拟废水中pH值对COD去除率的影响
向模拟废水中加入5.0mL H2O2和3g FeSO4·7H2O,在其他条件相同的情况下,测得当pH值为4.0时,模拟废水处理COD去除率达79.8%。
由表3和图3可知:当溶液pH值处在4.0之下时,溶液中H+过多,易与氢氧自由基结合成水,最终氢氧自由基变得较少,去除率迅速下降,导致图表中数据波动较大,因此pH值对COD去除率影响很大;当pH值介于4.0～8.0之间时,图线较为平缓,在此范围内改变酸碱度对废水处理效果影响不大;当pH值恰好为4.0时,处理效果最佳;当pH值高于8.0时,溶液呈碱性,当中又含有许多氢氧根,致使Fe2+以氢氧化物沉淀存在,使Fe2+失去反应催化能力,故COD去除率也会变差,图线下滑。
④模拟废水中反应时间对COD去除率的影响
加入5.0mL H2O2和3g FeSO4·7H2O,pH值为4.0时,研究反应时间对COD去除率进行研究。在整个反应过程中,·OH与有机物结合的速度决定了整个反应的速率。当反应时间过短时,·OH产生的量太少,H2O2并没有反应完全,因而去除效果不佳;当反应时间过长时,会造成能源浪费,且过度搅拌使得反应体系变得不稳定,甚至导致体系破坏,从而影响反应效果。由图4可看出:只有反应时整条图线波动极大,对废水去除效果影响最为突出,当反应时间为30min时,COD去除效率高达82.6%。
⑤模拟废水有机蒙脱土用量对COD去除率的影响
实验水样用量为100mL,加入5.0mL H2O2和3g FeSO4· 7H2O,pH值为4.0,反应时间为30min,加入适量的有机蒙脱土,研究有机蒙脱土的用量对COD去除率的影响。结果如表5和图5所示。当有机蒙脱土用量为0.5g/mL,COD去除率高达89.8%。这是因为两种方法的协同作用的结果。
(2)有机实验室真实废水的处理
取实验室真实废水100mL中,按上述模拟废水的最佳工艺条件,加入5.0mL H2O2和3g FeSO4·7H2O,pH值为4.0,反应时间为30min,有机蒙脱土用量为0.5g/mL,通过计算COD去除率达87.6%,与模拟废水相比略有下降,可能原因是实际废水中的成分相对复杂,COD去除的影响因素会更多,而实验没考虑这些因素导致。
3.结论
本实验采用Fenton试剂法和有机蒙脱土吸附结合的方法,研究了实验室有机废水的COD去除,实现了“1+1”大于2的效果,获得了最佳的工艺条件:FeSO4·7H2O用量为3.0g,H2O2用量为5.0mL,pH值在4.0,反应时间为30min,有机累托石用量为0.5g/mL,COD去除率达87.6%,为实验室废水处理提供新的思路,具有实用价值。
摘要：化学实验室废水成分复杂、有机物含量多,如不处理对环境将造成重大污染。首先以模拟废水作为研究基础,用Fenton试剂法模拟对废水进行氧化处理,得到模拟废水的处理工艺条件,再结合有机蒙脱土吸附法,得出两种方法处理模拟废水的最佳工艺。最后以实验室真实有机废水为研究对象,当FeSO4·7H2O用量为3.0g,H2O2用量为5.0mL,pH值在4.0,反应时间为30min,有机累托石用量为0.5g/mL时,实验室有机废水的COD去除率可以达到87.6%。
关键词：Fenton试剂法,实验室有机废水,有机蒙脱土,COD去除率
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