硫铁矿烧渣催化类Fenton深度处理印染废水研究

【摘要】矿物类Fenton体系由于改善了传统Fenton试剂用量大、反应pH较低以及泥量大等诸多问题,近年来引起了人们的广泛关注。矿物类Fenton以其非均相催化氧化的特点,便于催化剂的回收再利用,在印染废水的深度处理以及中水回用方面,展示了很好的应用潜力。本研究以硫铁矿、Fe(Ⅲ)以及硫铁矿烧渣做为主要催化剂,探讨了新型类Fenton深度处理印染废水的可行性。考察了单独Fe3+/H2O2体系中催化脱色效果的影响因素。研究了硫铁矿烧渣(PyC)以及负载Bi改性硫铁矿烧渣(Bi-PyC)的催化活性及其制备和表征,证明了负载Bi催化剂良好催化性能的优势。在实际废水处理中,比较了硫铁矿类Fenton较传统Fenton的技术经济优势。具体研究工作及主要结论如下：(1)研究了Fe3+/H2O2体系降解酸性大红GR的性能和影响因素。正交实验结果表明pH对酸性大红GR降解去除率的影响最大,其次是H2O2的投加量,最后是Fe3+的投加量。对于50mg/L的酸性红染料模拟废水,双氧水投加量和Fe3+投加量的增加会促进染料的脱色,增加到一定程度,促进效果趋于稳定。在pH=3时,50mg/L的酸性红染料脱色的最佳条件为H2O2投加量0.1mL/L,Fe3+投加量25mg/L。在pH较低时,Fe3+/H2O2体系中能够瞬时产生Fe2+,实验结果表明Fe3+比Fe2+具有更好的催化脱色效果。(2)首次将硫铁矿烧渣作为载体,通过负载Bi制备了新的催化剂,改善了烧渣的催化反应活性。矿物类Fenton降解50mg/L的酸性大红GR染料,未负载烧渣在pH=3的条件下,投加0.1mL/L双氧水与5g/L烧渣,反应120min后,脱色率可达到90.1%；而负载Bi烧渣在pH=3.0的条件下,只需投加0.05mL/L双氧水与2g/L负载Bi烧渣,10min脱色率即可达到90.1%,大大节省了试剂的用量,并缩短了脱色反应时间。在回用效果对比方面,未负载烧渣需要在pH=3的酸性条件中,回用效果稳定但需要耗时90min；而煅烧450℃烧渣在pH=3、pH=4、pH=5的条件下10min内脱色率即可达到90%以上,且回用效果较好,即使在pH=6的较高条件下,染料脱色率仍有40%以上。(3)借助SEM.XRD.EDS.BET以及红外光谱等分析手段,对负载Bi烧渣进行了表征,并与其制备过程的不同烧渣进行对比。研究发现硫铁矿烧渣负载前主要为无定形的块状,呈现堆积状态,经过负载后外观形貌发生微小变化,有球状出现,且球形外部有类似堆积块附着。烧渣比表面积为0.8m2/g,负载后比表面积减小,主要内部结构也发生变化,其XRD晶型变化以及EDS元素比例共同表明烧渣主要物相结构由Fe3O4变化为Fe2O3。而且发现矿物类Fenton中,Fe2O3的催化效果要好于Fe3O4。发现负载Bi的催化优势表现在：可促使反应体系pH下降,溶出的少量铁离子能与烧渣本身发生耦合脱色作用,提高了催化反应效果。(4)在污水厂处理厂,以实际印染废水二级生化出水为目标,进行了硫铁矿催化类Fenton深度处理印染废水的工程可行性研究。引入单位COD平均处理成本的概念,即去除单位质量COD花费的成本,对比研究了硫铁矿类Fenton较传统Fenton深度处理实际印染废水的经济成本优势。硫铁矿类Fenton较传统Fenton更节省试剂用量,H202投加量约0.15mL/L时,COD从129mg/L降到53.8mg/LCOD去除率为58.3%,硫铁矿类Fenton中COD平均处理成本为0.0133元/g,相对传统FentonCOD平均处理成本0.0199元/g更为经济。同时硫铁矿类Fenton拓宽了传统Fenton的pH应用范围,利于工程实际应用。而硫铁矿烧渣重复使用性能较好,通过负载Bi能够进一步将反应时间从24h大大缩短为4h,试剂用量也相对节省,进一步提高了处理效果。本研究提出硫铁矿烧渣类Fenton作为深度处理印染废水的一项新技术,并发现负载Bi的制备过程提升了硫铁矿烧渣催化性能,在实际废水深度处理中,硫铁矿类Fenton表现出了试剂用量节省、pH适用范围广,COD去除效率高的优势,为矿物类Fenton的大规模工程化应用奠定了基础。
【作者】胡银；
【导师】刘亚男；
【作者基本信息】东华大学，环境工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】类Fenton；酸性大红GR；深度处理；印染废水；

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