铝炭微电解及改性微电解法处理印染废水的研究

杨海威(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

0 引言

近年来，我国已然成为世界第一大印染纺织国，但是随之带来的问题就是印染纺织行业所产生的废水量呈快速增长趋势，其中以印染废水污染较为严重。印染废水及其污染物的排放量约占整个工业的80%，是纺织工业废水和污染物的主要来源[1]。所以，印染废水处理是水环境安全的重要组成部分[2]。

1 印染废水的处理方法

物理处理法：膜分离法，是以浓度差、电位差或压力差作为推动力，使物理性质不同的分子通过具有选择性的半透膜，从而达到选择性分离的目的[3]。吸附法，是使废水中的色素、有毒物质吸附在多孔物质表面，从而达到净化的作用[4]。磁分离法，在废水环境中加入磁种与混凝剂，经过一段时间后，污染物被带有磁性的混凝剂所吸附，进而形成磁絮体，再通过外加的磁场使得污染物与水分离[5]。

化学处理法：氧化法，是使氧化剂氧化染料分子，破坏染料分子结构，进而达到脱色脱毒的目的。电化学法，是通过电化学作用来实现对污染物的转化或降解[6]。混凝法，向印染废水中加入混凝剂，使废水中细小颗粒或胶体聚集成较大颗粒，在通过重力作用将其去除。

生物处理法：在特定条件下培养的微生物，通过微生物一系列的生化反应来对印染废水中的有机染料分子进行降解，将其还原成无机物质以及其他无害化物质，实现对染料的脱色。

2 传统微电解法

传统微电解法是一种通过金属铁与活性炭形成原电池，通过一系列反应对印染废水进行处理的技术，对难降解的印染废水有较好的预处理效果，具有成本低、无二次污染的特点[7]。

2.1 铁炭微电解法的缺点

(1)铁炭微电解法由于反应体系内加入金属铁的缘故，故该方法只能在酸性条件下进行反应。但是由于实际生产中的所产生的印染废水大都是碱性，所以在生产实际中应用铁炭微电解法处理印染废水时，需要在反应前加入酸性物质，将印染废水pH值由碱性调至酸性，使铁炭微电解法可以达到更好的处理效果。当反应结束后，又需要将pH值由酸性调至碱性，这样可以使溶液中的铁离子更快速沉淀下来。因此在实际生产过程中酸和碱的消耗量很大，这也就增大了处理成本，也使得工艺流程变得复杂，操作维护也是同样繁琐。

(2)由于该工艺加入了金属铁，在反应过程中产生了大量的铁离子，当反应结束后，当有未通过混凝沉淀去除的铁离子可能会在后续的处理过程中出现“返色”现象。

(3)由于铁的密度要远远大于炭的密度，所以在废水中铁和炭很难能够接触紧密，这也就很难在废水中构成原电池，进一步影响了原电池反应，从而影响了处理效果。为了改进铁炭微电解法的一些不足，基于铁炭微电解法的一些不足之处，衍生出一种新型的印染废水的处理方式—铝炭微电解法。

3 铝炭微电解法

考虑对铁炭微电解法的填料进行改进，将铁炭体系中的金属铁改换成金属铝：一方面，因为金属铝为两性金属，可以和酸反应也可以和碱反应，所以可以在处理为碱性的印染废水时，无需外加酸，来调节印染废水的pH值，进而节约了处理成本，也能够更好地投入生产；另一方面，处理效果的好坏，在很大程度上取决于反应体系中的电位差，因为铝的金属性相对于铁来说是较为活泼的，所以铝炭体系的电位差较铁炭体系的电位差大，所以可以更快速反应，达到更好的处理效果[8]：

再者，因为铝炭微电解法中所产生的铝离子，不会因为混凝沉淀不彻底而在后续的反应中出现“返色”现象。其次，铝炭的密度差比铁炭的密度差较小，在印染废水中所形成的细微原电池较铁炭形成的原电池处理效果较好。综上所述，能够看出铝炭微电解法很好的弥补了铁炭微电解法的不足，并且拥有更好的处理效果。

3.1 反应原理

铝炭微电解法的作用原理与铁炭微电解法的原理相同，同样是通过原电池反应、氧化还原、混凝沉淀、吸附以及微电场附集等作用对印染废水的COD以及色度进行去除的技术。

(1)原电池反应。将金属铝与炭同时浸泡在印染废水中，由于金属铝与炭存在较大的电势差，所以在溶液中就会形成无数个细微的铝炭原电池。正常情况下，所形成的铝炭原电池的阳极为铝，阴极为炭，电极反应如式(3):

阳极：

阴极：

(2)氢的还原反应。在铝炭微电解反应体系内，在阴极上所产生的新生态的[H]可以破坏有机染料分子的发色结构，将大分子物质降解为小分子物质，从而可提升印染废水的可生化性[9]。

(3)铝的还原反应。铝具有还原性，在一定条件下，金属铝可以与一些大分子的染料分子发生氧化还原反应，使得各发色基团相互断开，从而达到脱色的效果，也可进一步提高废水的可生化性。

(4)铝离子的絮凝作用。铝炭微电解法中添加了金属铝，进而产生了大量的铝离子，铝离子通过水解反应生成了带有正电荷的氢氧化铝胶体，所形成的氢氧化铝胶体通过混凝沉淀作用与废水中的悬浮物质相结合，形成大颗粒沉淀，从而达到净化水体的作用[10]。

(5)电化学富集作用。铝和炭在印染废水中形成了大量的微电池，在所形成的微电池周围会产生微电场，印染废水中会存在稳定的胶体，这些胶体通过电泳作用而被聚集[11]。

3.2 铝炭微电解法的主要影响因素

3.2.1 铝粉投加量

铝炭微电解法就是投加的铝在溶液中腐蚀形成无数个铝炭原电池。傅强根[12]的研究表明，铝粉的投加量决定了溶液中原电池的数量，进而影响了对溶液色度和COD的去除效果。从傅强根[12]的研究数据表明，当铝炭质量比一定时，随着铝粉投加量的增多，印染废水中的色度及COD去除率都有明显升高，当铝粉投加量在16～24 g/L的范围内时，COD的去除率以及脱色效果达到最佳。

3.2.2 铝炭质量比

当投入一定量的铝粉时，如果铝炭质量比较大，就可知体系中炭的量就较少，在溶液中所形成的原电池数量也就较少，也就导致了对印染废水的处理效果较差；如果铝炭质量比较小，体系中炭的量就较多，进而会影响所形成的铝炭原电池与印染废水反应。从傅强根[12]的研究表明，当铝炭质量比在1∶3～1∶1之间时，效果较好，脱色率不低于90.72%，COD去除率不低于74.7%。另一方面，通过刘晓波[13]的试验结论，可以看出当铝炭质量比在这个范围内，处理效果达到最佳。

3.2.3 初始pH值

印染废水的pH值可以影响铝的腐蚀速率进而影响原电池反应、也可以影响有机污染物的氧化还原反应以及后续的混凝沉淀反应，进而影响有机污染物的去除[14]。根据傅强根[12]的研究表明，当溶液pH值低于10.0时，铝炭微电解法的处理效果是较差的；当溶液 pH值在10.0～11.5范围内时，铝炭微电解法的处理效果明显提高；当溶液pH值大于11.5以后，印染废水的脱色率以及COD去除率都显著的提高，但随着pH值的不断增大，处理效果也趋于平缓。综合考虑，确定最佳pH值在11.5～12.0范围内。根据刘晓波[13]的试验结论可以看出，在碱性条件下，铝炭微电解的处理效果更好。

3.3 铝炭微电解的应用现状

刘敏[15]采用铝炭微电解法处理配制的印染废水，通过实验进一步证明了铝炭微电解较铁炭微电解有更宽的pH值范围；傅强根[12]采用铝炭微电解法降解印染废水，COD去除率在78%以上；乔俊莲等[16-17]用铝炭微电解法处理印染废水时，不仅提高了印染废水的B/C且COD的去除率达到66.4%；金璇[18]通过试验发现，无论在强酸还是强碱性的条件下，特定条件下，铝炭微电解的处理效果远远优于铁炭微电解；刘晓波[13]采用铝炭微电解法对几种偶氮染料的去除率基本大于90%；蒋雨希等[19]采用铝炭微电解法处理印染废水，在最优条件下，色度去除率高于90%，COD去除率高于80%。

4 改性微电解法

铝炭微电解法从上述一系列的研究数据可以看出，它在很大程度上已经解决了传统铁炭微电解法所存在的不足。因为通过实际应用中可以了解到微电解法的填料在反应过程中存在钝化问题，是微电解法投入实际应用的一个很大局限，近期通过何威等[20]对微电解填料进行的改性试验中，对填料进行改性可以减轻或消除微电解过程中的钝化作用。

4.1 三元反应体系

李天鹏等[21]认为，根据微电解反应体系中组成的成分数量的多少可以将其分为一元、二元、三元反应体系。在传统的铁炭微电解方法基础上往体系中继续添加金属或非金属，就可以构成三元微电解体系。

4.2 改性微电解法

相比于将铁炭微电解法中的金属铁改换成金属铝的铝炭微电解法，改性微电解法是将微电解中的填料进行改性，从而制备出新型的微电解填料。

新型微电解材料，是将一定比例的铁粉、铝粉以及活性炭，在黏合剂四氟乙烯的作用下，结合到一起，然后在通过特定反应条件下，制备出新型微电解填料[22]。

4.3 主要影响因素

(1)反应时间的影响。在相同条件下处理甲基橙废水，在前2 h内，随着反应时间的增加，甲基橙的去除率和COD的去除率显著增大。当反应时间在2～3小时内，去除率趋于平缓，但仍有较小幅度的增加。当反应时间达到4小时后，去除率趋于稳定这时甲基橙的去除率为95.85%，COD去除率为83.33%[20]。

(2)初始pH值的影响。在相同条件下，从何威等[20]试验数据中可以看出，因为改性后的填料中包括金属铁和金属铝，所以从试验数据中可以看出有两个最佳 反应区间，当pH值范围在4～5时，甲基橙的去除率为90%，COD去除率为60%；当pH值范围在11～12时，甲基橙的去除率为92.8%，COD去除率为74.46%。

(3)材料用料的影响。在相同的条件下，当微电解填料投加量低于240 g/L，处理效果改善较少；当填料投加量达到340 g/L，处理效果明显提升，则当反应结束后，COD去除率高达95.8%[20]。

(4)不同材料处理印染废水效果的对比。根据何威等[20]的试验看出可以看出，传统的微电解法只有在印染废水初始pH值为酸性时，处理效果较好，但是实际的印染废水大多处于碱性环境，这样无疑增大了处理成本。而这种新型的微电解填料，不仅可以在酸性条件下拥有良好的处理效果，而且在碱性条件下仍然有较好的处理效果。并且在同等的条件下，染料分子的去除率、COD的去除率以及废水可生化性均高于铁炭微电解法。

5 结语

通过上述的原理以及研究表明，铝炭微电解法以及改性微电解法能够有效的去除印染废水中的有机污染物。相比于传统的微电解法，pH值的适用范围更宽，处理效果好，反应速率更快，投料更少进而节约了成本。在未来的研究方向，应着重根据水质水样特点，因“水”制宜地改进微电解法，使得在难降解印染废水的处理方面，让铝炭微电解法以及改性微电解法将成为廉洁、高效及适应性强的处理技术。