摘要：粉煤灰是具有一定活性的含有6%炭的球狀細小顆粒對于水中雜質(zhì)具電解和吸附性能力，利用粉煤灰對工業(yè)廢水進行處理可謂以廢治廢，且處理廢水費用低效果好。這已得到有關(guān)科技界的廣泛重視，在利用粉煤灰對廢水處理方面已做了大量的研究工作，取得了可喜的成績。研究了粉煤灰與鐵屑構(gòu)成微電池處理含硫廢水的方法并探討其作用機理。設(shè)計正交實驗考查了在動態(tài)零回流小試中pH值、煤鐵比和水力停留時間三因素的影響，而且對反應(yīng)時間和煤鐵比作了單因素影響實驗。對廢水的進水濃度和回流比作了實驗研究。實驗結(jié)果表明，再pH值為8.00、煤鐵比為1：水力停留時間為30min、進水濃度為15mg/l和回流比為5：1時處理效果最好，可達807%，排放濃度可以控制在2mg/l以內(nèi)，達到國家三級排放標準。

引言

水中硫化物包括溶解性的H₂S、HS-、S ^2-，和存在于懸浮物中的可容性硫化物、酸可容性金屬硫化物以及未電解的有機、無機類硫化物。硫化氫輕易從水中散逸于空氣，產(chǎn)生臭味，且毒性很大。它可以與人體內(nèi)細胞色素、氧化酶及該類物質(zhì)中的二硫鍵作用，影響細胞氧化過程，造成細胞組織缺氧，危及人的生命。硫化氫除自身能腐蝕金屬外，還可以被污水中的微生物氧化成硫酸，進而腐蝕下水管道等。因此，硫化物是水體污染的一項重要指標。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中任何情況下都不可以向空氣中排放硫化氫。使用這中氣體的工作必須在密封的系統(tǒng)中或高效排風廚中進行?？諝庵腥绾?.1%的H2S就會迅速引起頭痛、暈眩等現(xiàn)象。吸入大量H2S就會造成昏迷或死亡。經(jīng)常接觸能引起慢性中毒，引起感覺變壞、消瘦、頭痛等。工業(yè)上，空氣中不得H2S含量不得超過0.01mg/L。

第1章實驗部分

1實驗器材

PVC離子交換柱。離子交換柱的水泵2臺。濾紙：酸洗并經(jīng)過硬化處理、25ml或50ml酸式滴定管、錐形瓶、移液管、容量瓶。濾紙：酸洗并經(jīng)過硬化處理、能阻留微細沉淀的致密無灰分濾紙、滴定管架，4套。150ml或250ml碘量瓶。25ml或50ml棕色滴定管。PHS-3C精密pH儀。

試劑及器材

鹽酸：ρ=19g/ml、磷酸：ρ=69g/ml、鹽酸溶液：，用鹽酸配制。、磷酸溶液：。氫氧化鈉溶液：C=1mol/L。將20g氫氧化鈉容于250ml水中，冷卻至室溫，稀釋至500ml。重鉻酸鉀標準溶液：C=0.1000mol/L。稱取105℃烘干2h的基準或優(yōu)級重鉻酸鉀9030g溶于水中，稀釋至1000ml。重鉻酸鉀標準溶液：C=0.2500mol/L稱取105℃烘干2h的基準或優(yōu)級重鉻酸鉀1258g溶于水中，稀釋至1000ml。碘化鉀。硫代硫酸鈉C=0.1mol/L。

配制：稱取24682g五水合硫代硫酸鈉C和0.2003g無水碳酸鈉溶于水中，轉(zhuǎn)移到1000ml容量瓶中，稀釋到標準刻度，搖勻，貯于棕色瓶內(nèi)。

標定：于250ml碘量瓶內(nèi)，加入1g碘化鉀及50ml水，加入100ml；加重鉻酸鉀標準溶液入鹽酸溶液5ml，密塞搖勻。暗處靜置5min。用待標定的硫代硫酸鈉溶液滴定到溶液呈淡黃色時，加入1ml定粉指示劑，繼續(xù)滴定至藍色剛好消失，記錄標準溶液用量，同時作空白滴定。

硫代硫酸鈉濃度C(mol/L)由下式求出：

C=0.1000×15.00÷(V1-V2)

式中：V1——滴定重鉻酸鉀標準溶液時硫代硫酸鈉標準溶液用量（ml）；

V2——滴定空白溶液是硫代硫酸鈉標準溶液用量（ml）；

0.1000——重鉻酸鉀標準溶液的濃度(mol/L)。

硫代硫酸鈉標準滴定液C(Na2S2O3)=0.1mol/L：移取10.00ml上述剛標定過的碘標準溶于硫代硫酸鈉標準溶液于100ml棕色容量瓶中，用水稀釋到刻度，搖勻，使用時配制。

碘標準溶液C(1/2I2)=0.1mol/L：稱取12.70g 碘于500ml燒杯中，加入40g碘化鉀，加適量水溶解后，轉(zhuǎn)移至1000ml棕色溶解瓶中，稀釋至標線，搖均，移至棕色瓶中保存待用。

碘標準溶液C(1/2I2)=0.01 mol/L：移取10.00 ml碘標準溶液于100ml棕色容量瓶中。用水稀釋至標線，搖均，使用前配制。

粉煤灰

1g可容性淀粉，用沸水溶解，在定容到100ml,冷卻備用。

表 1?1粉煤灰的灰成分分析/%

原樣編號 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO TiO2 SO3 K2O Na2O P2O5 燒失量 介休總樣 52.94 10.40 32.26 1.29 0.17 1.04 0.55 0.96 0.14 0.14 9.02

煤灰的預處理用待處理的溶液浸泡24h。

15）鐵屑

來源：蕪湖市花塘鐵粉廠。

預處理：每次使用前取適量的干鐵粉加入適量的洗衣粉洗滌兩次，并每次充分攪拌清洗至沒有黑色液體為止。再使用1+3的鹽酸洗滌至沒有渾濁的液體為止，并使用蒸餾水漂洗三次保證去銹鐵粉表面沒有鹽酸殘留。

1.3實驗測量內(nèi)容

1.3.1硫化物的測量

將所要測量的各試樣各加入10.00ml0.01mol／L碘標準溶液，再加5ml鹽酸溶液，密塞混勻。在暗處放置10min，用0.01mol／L硫代硫酸鈉標準溶液滴定至溶液呈淡黃色時，加入1ml淀粉指示液，繼續(xù)滴定至藍色剛好消失為止。

1.3.2結(jié)果表示

處理硫化物含量ci(mg／L)按下式計算：

 

式中：V0——空白試驗中，硫代硫酸鈉標準溶液用量，ml；

Vi——滴定硫化物含量時，硫代硫酸鈉標準溶液用量，ml；

V——試樣體積，50ml；

16.03——硫離子(1/2S2-)摩爾質(zhì)量（g/mol）

c——硫代硫酸鈉標準溶液濃度（mol／L）。

1.3.3排放標準

本實驗所測量的對象是S2-,其初始濃度約為10mg/L，其排放濃度為國家三級（？？？？？）排放標準：2mg/L。

1.4空白試驗

以雙重蒸餾水代替試樣，取50ml加入與測定時相同體積的試劑，按（1.3） 所述步驟進行空白試驗。

標定Na2S2O3是的消耗體積是15.7ml

則：C Na2S2O3=0.1×15÷(15.7-3)

=0.118mol /L

則所配的試劑的Na2S2O3的標準溶液的濃度是0.00118 mol /L

用此濃度的

令：k=C×16.03×1000÷V

     =3.8468

k是在此時計算的通用值為3.8468

第2章 實驗設(shè)計及結(jié)果討論

2.1單因素正交實驗：

本實驗對廢水pH值、粉煤灰和鐵屑的比和反應(yīng)時間，三因素做了水平正交實驗，水平表和正交實驗結(jié)果如表2-1和表2-2所示。

表 2?1靜態(tài)處理實驗因素水平表

因素 水   平 1 2 3 進水pH(A) 6.00 8.00 10.00 煤鐵比(體積比) (B) 2：1 1：1 1：2 停留時間min (C) 20 30 40

 

分步實驗步驟：

1.取已配Na2S（約1mol/l）溶液2mL定容到2000mL。并調(diào)節(jié)pH到所需要的數(shù)值。

2. 取大約1000mL體積的粉煤灰，用硫化納的液體浸泡24h，待用。

3. 取約有400mL體積的鐵屑，并按照上面的方法進行預處理。

4.  按照實驗的要求對濕的粉煤灰和濕的鐵屑體積進行配比，用鐵棒充分的攪拌使之均勻混合。

動態(tài)正交實驗數(shù)據(jù)及處理

表 2?2    動態(tài)實驗正交試驗L9結(jié)果及極差分析
 

試驗號 因素 出水 硫的去除率 A B C 處理前 處理后   1 6 2:1 20 7.675 3.2316 57.9 2 6 1:1 30 8.509 3.403 60 3 6 1:2 40 8.992 5.083 43.5 4 8 2:1 30 7.271 3.636 50 5 8 1:1 40 12.338 7.232 41.3 6 8 1:2 20 12.12 5.865 51.7 7 10 2:1 40 6.867 4.444 35.3 8 10 1:1 20 7.658 5.531 27.8 9 10 1:2 30 12.902 5.083 60.6 X1 161.4 143 123.5   X2 143.2 129.1 165.8 X3 137.4 170.6 110.1 極差 24 41.5 55.7 優(yōu)水平 A2 B3 C2

 

用直觀分析法對正交實驗結(jié)果進行分析。Xi為某因素第i水平的實驗之和。根據(jù)表九中A、B、C三因素的Xi值，求出極差Ximax—Ximin，極差大則說明該因素對去除率影響大。由此得出影響大小順序為C>B > A,優(yōu)水平組合為A2、 B3、C2。即廢水得進水pH為8，煤鐵比為1：2，水力停留時間為30min。

2.2 單因素實驗

正交實驗極差分析可知，最優(yōu)水平組合為A2、 B3、C2，反應(yīng)時間長，鐵屑用量多，S2-的去除率就越高。為了驗證反應(yīng)時間和鐵屑的用量的影響，對兩個因素進行了單因素影響實驗。

2.2.1 水力停留時間對處理效率的影響

條件為pH=8.00、煤：鐵=1：2的情況下，分別設(shè)置20min、30min和40min三個實驗實驗影響因素。 

標定Na2S2O3：消耗體積為：8.4ml----24.2ml

由實驗可以得出時間短處理效果不好有可能是一方面接觸時間太短，另一方面是開始的廢水導電性較差所致。但時間到30min后去除率由51.64％變?yōu)?8.41％，其相差僅為3.23％，即可以視為基本不變，因此，廢水的最佳停留時間為30min。

不同濃度對處理效果的影響

在確定了pH值、反應(yīng)時間和鐵屑比，處理效率還受到處理前的濃度的影響，取已經(jīng)配制的硫化鈉溶液（2.1.3.2.9）2ml、2.3ml、2.6ml、3.5ml。

其他條件：水力停留時間：30min

pH值：8.00

煤鐵比：      1：2

表 2?5    不同濃度對處理效果的影響  
 

序號 　 次序 前讀數(shù) 后讀數(shù) 消耗體積 濃度 前濃度 后濃度 處理效率% 1　 處理前（ml） 8.7 15.2 6.5 0.0123 10.540 5.019 0.52 處理后(ml） 0.8 8.7 7.9 0.0123 2　 處理前(ml） 15.2 20.2 5.0 0.0123 16.455 5.808 0.65 處理后(ml） 25.0 32.7 7.7 0.0123 3　 處理前(ml） 20.2 25.0 4.8 0.0123 17.244 7.385 0.57 處理后(ml） 32.1 39.4 7.3 0.0123 4　 處理前(ml） 32.7 39.7 7.0 0.0123 8.568 5.414 0.37 處理后(ml） 39.7 47.5 7.8 0.0123 圖 2?1   濃度和處理效率的關(guān)系

由圖可以得出，濃度變化時處理效率也相應(yīng)的變動，由圖表可以得出方程：y=-0.0091×X2+0.261X-1.2062  由此可以積分知道最佳的濃度是14.5mg/l，此時的處理效率最高是66.5%。

在高濃度是由于反應(yīng)的接觸面積和結(jié)束時間有限，不能充分的反應(yīng)而直接流出，九造成一種溶液的短路現(xiàn)象，是未反應(yīng)或只有部分反應(yīng)的的液體直接排放，使得排放的液體濃度升高，處理效率也就下降了。

2.2.4 確定最佳的回流比

在工程上并不是如上面所分析的那樣是開放式，而是回流式的，這樣以提高其處理效率

2.2.4.1      實驗條件   水力停留時間：30min
pH值：      8.00

煤鐵比：      1：2

濃度：      14.5mg/L（具體的數(shù)值以標定為準）

實驗原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

在條件相同的情況下設(shè)計五組實驗

回流比 3∶1 4∶1 5∶1 6∶1 7∶1 實驗序號 1# 2# 3# 4# 5# 表 2?6   確定最佳的回流比 2005年6月6日 實驗數(shù)據(jù)處理  確定最佳回流比 Na2S2O3濃度 濃度mg/l 處理效率% 實驗序號 回流比 前讀數(shù)ml 后讀數(shù)ml 消耗體積ml 原樣   17.5 23.6 6.1 0.0126 13.3169   1# 3∶1 0.1 8.7 8.6 0.0126 3.2180 0.7584 2# 4∶1 8.7 17.5 8.8 0.0126 2.4100 0.8190 3# 5：1 23.6 32.5 8.9 0.0126 2.0061 0.8494 4# 6：1 41.2 49.8 8.6 0.0126 3.2180 0.7584 5# 7：1 32.5 41.2 8.7 0.0126 2.8140 0.7887 根據(jù)以上的計算結(jié)果和表可以得出圖：

進水濃度是13.4mg/l，處理效率以65％計算，出水濃度以1.5mg/l計算，則理論回流比是：2.3，而由表和圖得出實際的最佳回流比是5：1，其原因主要是因為在反應(yīng)的過程中有未反應(yīng)或部分反應(yīng)的溶液直接流出了出口。在最佳的濃度、  pH值、煤鐵比和水力停留時間的條件下反應(yīng)的理論值和實際值之間有一點差別。

2.3 驗證性實驗

實驗條件：pH值為8.00；

水力停留時間為30min；

煤鐵比是1：2；

進水濃度是14mg /l；

回流比是5：1。

將所要測量的各試樣各加入10.00ml0.01mol／L碘標準溶液（2.1.3.2.3），再加5ml鹽酸溶液(2.1.3.2.12)，密塞混勻。在暗處放置10min，用0.01mol／L硫代硫酸鈉標準溶液（2.1.3.2.10）滴定至溶液呈淡黃色時，加入1ml淀粉指示液（2.1.3.2.15），繼續(xù)滴定至藍色剛好消失為止。

標定Na2S2O3的濃度是消耗的體積為：16.4ml——31.5ml →  ΔV=15.1ml

則：C Na2S2O3=0.1×15÷(15.1-3)

                                                                             =0.124mol/L

則所配的試劑的Na2S2O3的標準溶液的濃度是0.0124 mol /L

令：k=

k是在此時計算的通用值為3.983

濃度的公式即為  C= k×(8.8×0.0126÷0.0118-V)   V—消耗Na2S2O3體積

在已經(jīng)有了最佳的濃度、 回流比、 pH值、煤鐵比和水力停留時間的條件下，其出水排放濃度可以控制在2 mol/L以內(nèi)，達國家三級排放標準。

第3章  存在問題及展望

3.1 存在問題

綜上所述，可以看出粉煤灰微電解處理含硫廢水的微電解技術(shù)是可行的。因為其以廢治廢的特點，在環(huán)境領(lǐng)域有著巨大的開發(fā)潛能和廣闊的應(yīng)用前景。但在實際應(yīng)用方面尚存在四方面的問題：一是粉煤灰的催化效率需要進一步提高；二是灰水分離問題；三是在工程上間隔的加入鐵的量的確定；四是理論研究基礎(chǔ)薄弱,對粉煤灰電解機理及動力學的研究還不夠透徹，絕大多數(shù)研究還停留在實驗室階段。

3.2 展望

上述的實際應(yīng)用方面存在的四方面的問題，也正是粉煤灰微電解需要深入研究的四個方向。

3.2.1 進一步提高粉煤灰的電解效率

提高粉煤灰的電解效率，可以選擇一些含炭量較高的粉煤灰。其粒度也控制在150目以內(nèi)，粒度太大會是粉煤灰中的硅酸鹽成分和其他的不具有電解作用的物質(zhì)含量加大。由于在反應(yīng)的過程中粉煤灰沒有損失，除了在廢水的流出會帶走部分的粉煤灰。因而也因該對反應(yīng)的粉煤灰的量也要進行適量的補充，以保證反映在控制的范圍之內(nèi)。

3.2.2 提高灰水分離效率

目前在工程上除了重量沉淀法易實現(xiàn)灰水分離外，其他一些方法灰水分離法要么成本昂貴要么實現(xiàn)有一定困難。在本實驗中就用了重量沉淀法，但是對實驗結(jié)果有一定的影響。這在某種程度上也阻礙了該項技術(shù)的推廣應(yīng)用。所以尋找一種比較好的灰水分離方法是非常必要的。

3.2.3 工程上間隔的加入鐵的量的確定

由于，反應(yīng)的不斷進行，反應(yīng)期中的鐵屑含量越來越少，在體積比1：2左右，在偏離此值得反應(yīng)中都會有不利的影響。而實際準確的是兩者的體積比為1：2是很困難的，只有在長時間的工程實際操作中的不斷的積累才可以有一個大概的數(shù)值。

3.2.4 加強理論研究

理論研究基礎(chǔ)薄弱,對粉煤灰微電解機理及動力學的研究還不夠透徹,多數(shù)研究還停留在實驗室階段。所以要重視粉煤灰微電解處理廢水的過程機理及反應(yīng)動力學等理論的研究，只有這樣才能夠在提高粉煤灰的煤灰微效率方面有所突破。另外，應(yīng)加強實用性技術(shù)及配套設(shè)備的研究與開發(fā)，使科學技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，從而促進粉煤灰在廢水處理領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。