Sulfate removal mechanism by internal circulation iron-carbon micro-electrolysis
通过内循环铁碳微电解去除硫酸盐的机制
Highlights 突出
- •Internal circulation iron-carbon micro-electrolysis was used to remove sulfate.
采用内循环铁碳微电解去除硫酸盐。 - •We investigated the effects of different conditions on the sulfate removal rate.
我们研究了不同条件对硫酸盐去除率的影响。 - •The maximum sulfate removal efficiency was 76.6% under specific conditions.
特定条件下硫酸盐去除效率最高,为 76.6%。 - •The sulfate removal mechanism was investigated using four different techniques.
使用四种不同的技术研究了硫酸盐去除机制。
Abstract 抽象
采用内循环铁碳微电解 (ICE) 处理废水中的硫酸盐。研究了反应时间、曝气速率、pH 值、铁碳比和初始硫酸盐浓度对 ICE 去除硫酸盐的影响。在反应时间 = 120 min、曝气速率 = 0.5 m3/h、pH = 2、铁碳比 = 1:1 和初始硫酸盐浓度 = 500 mg/L 的条件下,硫酸盐去除效率最高为 76.6%。结果表明,硫酸盐的去除主要通过两种机制:1)硫酸盐最初可还原为SO32-,然后还原为S2-,与H+和Fe2+结合形成H2S和FeS,可以被去除;2) 可以通过 Fe(OH)2 和 Fe(OH)3 的絮凝沉淀去除硫酸盐。因此,ICE 工艺可以作为从废水中去除硫酸盐的有效方法。
Keywords 关键字
1. Introduction 1. 引言
随着工业的快速发展,硫磺和硫化合物作为重要的原料在工业生产中得到了广泛的应用[1]。各个行业(如石化和钢铁冶金厂)排放的废水中含有大量的硫酸盐,对土壤环境和水生生态系统有重大影响 [2], [3], [4]。硫酸盐废水的来源范围很广,水质会随着生产工艺的不同而变化。硫酸盐废水主要来源于石油化工、皮革、制药、造纸、糖蜜、印染、垃圾渗滤液、采矿、磺化等行业 [5], [6], [7], [8], [9].此类废水中的硫酸盐浓度通常可达数百或数千毫克/升 [10]。
硫酸盐会对水质和水生生态环境造成严重破坏 [11]。例如,硫酸盐会改变水的 pH 值和盐度,导致硫循环紊乱 [12]。硫酸盐还会与一些金属离子沉淀,导致土壤硬化和土壤结构破坏 [13]。在厌氧条件下,硫酸盐在硫酸盐还原细菌的作用下可还原为 H 2S [14]、[15]。H2S 对人类、动物和植物的生命构成严重威胁 [2],[16]。因此,硫酸盐废水在排放前应进行有效处理。
目前,硫酸盐废水常用的处理方法包括物理、化学和生物方法。其中,物理方法主要包括离子交换[17]、吸附[18]和多效蒸发结晶[19],主要包括钙盐、钡盐和复盐方法[20]。尽管它们已被广泛使用,但仍然存在一些技术和经济限制;例如,物理和化学方法容易造成二次污染,价格昂贵[21],[22],缺点是处理周期长,不适合处理硫酸盐浓度高的水[23],[24]。因此,已经开发了去除硫酸盐的替代方法,包括纳滤、电渗析、电化学和反渗透法 [25]、[26]、[27]。我们的研究小组发现,在工业废水处理过程中,可以通过铁碳微电解去除硫化物。根据文献综述,据我们所知,以前没有关于使用铁碳微电解处理硫酸盐的报道。
铁与活性炭结合形成微型电池,其中铁是阳极,活性炭是阴极,废水是电解质;这个过程被称为铁碳微电解 (IE)。反应可以用方程 (1)、(2)[28]、[29] 表示: (1) (2)
当存在氧气时,阴极反应由方程 (3)-(5) 表示: (3) (4) (5)
IE工艺可以通过氧化还原、微电池、絮凝、微电场附着和吸附来去除污染物[30]、[31]。IE工艺因其处理简单、成本低、使用寿命长、操作简单、处理效果好等优点,被广泛用于处理工业废水(如焦化、制药、印染、造纸和石化等行业)[32]、[33]、[34]、[35]、[36].IE工艺对颜色、化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)具有良好的去除效果[37]、[38]、[39]。例如,当 IE 用于处理制药废水时,它的 COD、颜色、NH 3-N 和 TP 去除率分别为 99.2%、97.5%、95.3% 和 78.9% [40]。此外,当 IE 与氧化/缺氧工艺相结合处理低碳灰水时,NH4+-N、TN、TP 和 COD 的去除率分别为 94.3%、86.2%、98.0% 和 92.7% [41]。在一些研究中,IE 反应是在固定反应器中进行的,导致硬化和钝化 [42]、[43]。为了克服这些缺点,一种内循环铁碳微电解 (ICE) 反应器(图 D)。 1) 被设计 [37]。该反应器在工业废水处理中表现出优异的性能,解决了填料钝化问题 [37]。实验结果表明,它同时具有氧化和还原能力 [37], [44]。迄今为止,已经对 IE 工艺的颜色、COD、TN 和 TP 处理进行了广泛的研究 [37]、[38]、[39];然而,很少的工作集中在硫酸盐处理上。

Fig. 1. Internal circulation iron-carbon micro-electrolysis (ICE) flow chart used in the experiment.
图 1.实验中使用的内循环铁碳微电解 (ICE) 流程图。
在这项研究中,使用 ICE 工艺去除废水中的硫酸盐。采用静态测试研究反应时间、曝气速率、pH 值、铁碳比和初始硫酸盐浓度等不同因素对 ICE 工艺去除硫酸盐的影响。采用扫描电子显微镜 (SEM)、能量色散光谱 (EDS)、X 射线衍射 (XRD)、X 射线光电子能谱 (XPS) 和拉曼光谱研究 ICE 工艺去除硫酸盐的机理,并确定了主要的硫酸盐去除途径。
2. Materials and methods 2. 材料和方法
2.1. Reagents and materials
2.1. 试剂和材料
硫酸钠 (Na2SO4) 购自麦克林生化技术有限公司(中国上海)。 氢氧化钠 (NaOH) 和盐酸 (HCl) 购自北京化工厂(中国北京)。超纯水由北京力源电子仪器公司(中国北京)使用超纯水机构生产。
铁屑取自我所金属加工车间,通过 20 目筛。筛分后的铁屑用自来水和丙酮清洗,去除表面的灰尘和油脂,在稀盐酸溶液中反应30 分钟,去除表面的氧化铁,然后用自来水冲洗至中性pH值[37]、[38]。颗粒活性炭购自江苏富汇通环保科技有限公司。颗粒活性炭首先用自来水洗涤以去除颗粒活性炭表面的灰尘,然后在高浓度硫酸钠溶液中浸泡至活性炭吸附达到饱和[38]。分析了 SO42- 的浓度和吸附量,结果如图 2(a) 所示。此外,为了研究吸附硫酸盐对工艺的影响,还研究了在不含 SO42- 的 800 mL 溶液中解吸量随反应时间的变化。同时,还研究了 pH 值对解吸量的影响。这些结果如图 2(b) 和 (c) 所示。即使在没有 SO42- 的溶液中,解吸后 SO42- 的最大浓度也仅为 42 mg/L,对本研究过程影响不大。

Fig. 2. Influence of the reaction time on adsorption (a) (800 mL SO42- solution with an initial concentration of 10000 mg/L, 50 g activated carbon, 0.5 m3/h aeration rate (for circulation and stirring), initial pH = 6.0); Influence of the reaction time on desorption (b) (800 mL solution without SO42-, 50 g saturated activated carbon, 0.5 m3/h aeration rate (for circulation and stirring), initial pH = 6.0); and Influence of pH on desorption (c) (800 mL solution without SO42-, 50 g saturated activated carbon, 0.5 m3/h aeration rate (for circulation and stirring) for 120 min).
图 2.反应时间对吸附的影响 (a)(初始浓度为 10000 mg/L 的 800 mL SO42- 溶液,50 g 活性炭,0.5 m3/h 曝气速率(用于循环和搅拌),初始 pH = 6.0);反应时间对解吸的影响 (b)(800 mL 溶液不含 SO42-,50 g 饱和活性炭,0.5 m3/h 曝气速率(用于循环和搅拌),初始 pH = 6.0);和 pH 值对解吸的影响 (c)(800 mL 溶液,不含 SO42-,50 g 饱和活性炭,0.5 m3/h 曝气速率(用于循环和搅拌),持续 120 分钟)。
2.2. Reactor and experimental procedure
2.2. 反应器和实验程序
实验中使用了几个相同的反应器,如图 1 所示。带有内循环管的反应器由玻璃制成,体积为 1000 mL。铁屑和颗粒活性炭的总体积保持不变,为 360 mL。反应器中溶液的体积为 800 mL。反应时间(0、2、5、10、30、60、90、120、180、240 和 300 min)、曝气速率(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 和 0.7 m3/h)、铁碳体积比(1:2、2:3、1:1、3:2 和 2:1)、pH 值(2、4、6、7、8 和 10)和初始硫酸盐浓度(500、1000、2000、5000、 和 10000 mg/L) 对硫酸盐去除进行了研究。
2.3. Analytical procedure
2.3. 分析程序
使用便携式pH计(PHSJ-3F,上海仪器电气科学仪器有限公司,中国)测定溶液的pH值。SO42- 通过离子色谱法 (ICS-1000, DIONEX, USA) 测定。通过电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS 7800,Agilent,USA)测量溶液中的铁浓度。S2- 使用硫化物计 (CHYS-241,Shenzhen Changhong Technology Co., Ltd., China) 测定。
使用 SEM(SSX-550,日本岛津)在 15 kV 电压下观察铁泥的表面形态。使用 EDS、XPS(ESCALAB 250Xi,Thermo Fisher Scientific,美国)和拉曼光谱法测定反应后铁泥的成分。XRD(D8 FOCUS,BRUKER,德国)用于扫描实验中产生的铁污泥。电压、电流、扫描速度和扫描角度范围分别为 40 kV、40 mA、4°/min 和 10°~90°。
3. Results and discussion
3. 结果和讨论
3.1. Comparison of iron scraps, activated carbon, and their mixture
3.1. 铁屑、活性炭及其混合物的比较
为了确定 ICE 工艺的硫酸盐处理性能,使用铁屑、活性炭以及铁屑和颗粒活性炭的混合物来处理硫酸盐废水。初始硫酸盐浓度为 1000 mg/L。
图 3 显示了三个过程中硫酸盐去除率随时间的变化,并说明了当使用铁屑处理硫酸盐时,去除率仅为约 3%。随着时间的增加,活性炭的硫酸盐去除率逐渐增加,然后趋于稳定。10 min 后去除率达到最大值 10.89%。10 min后,去除率略有下降,这可能是由于反应过程中活性炭的解吸[45]。无论是用铁屑还是活性炭处理,去除率都很低,这表明单独的铁屑和活性炭并不适合处理高浓度硫酸盐废水。但铁屑和颗粒活性炭混合120 min后去除率达到50.43%,证实了增强硫酸盐去除效果的强烈协同作用。因此,使用 ICE 处理硫酸盐废水是可行的。

Fig. 3. Sulfate removal efficiencies of iron scraps, activated carbon, and a mixture of both in wastewater containing 1000 mg/L sulfate.
图 3.含 1000 mg/L 硫酸盐的废水中废铁、活性炭和两者混合物的硫酸盐去除效率。
3.2. Optimization of process parameters
3.2. 工艺参数的优化
3.2.1. Reaction time 3.2.1. 反应时间
根据我们之前的研究[37]、[38]、[46],曝气速率、Fe/C 比和 pH 值是 ICE 过程的重要影响因素。为了使铁碳填料流动,曝气量不应为 <0.5 m3/h。最佳 Fe/C 比和 pH 分别为 1:1 和 2。温度通常控制在室温下。一般工业废水中的硫酸盐浓度在200–6000 mg/L范围内,最高达到11000 mg/L [47]。工业废水中的硫酸盐浓度主要在1000 mg/L左右[48]。因此,在初始硫酸盐 (SO42-)0 浓度为 1000 mg/L、T 为 20–25 °C、曝气速率为 0.6 m3/h、Fe/C 为 1:1 和 pH 值为 2 时,研究了反应时间对 ICE 处理硫酸盐的影响。实验结果如图 4(a) 所示。硫酸盐去除率逐渐增加,然后随着反应时间的增加趋于稳定。硫酸盐去除率在 30 min 内迅速增加,在 30 min 时达到 23.16%。这是因为在反应初期迅速产生具有强还原能力的Fe2+和[H],大大加快了反应速度[49]。此外,新的亚铁离子和铁离子可以形成 Fe(OH)2 和 Fe(OH)3,它们具有絮凝和沉降的功能,并起到促进反应速率的作用。从 30 到 120 min,硫酸盐去除率的增加相对较慢。 这主要是因为随着反应的进行,铁逐渐被消耗掉,导致微型电池的数量减少,[H]和Fe2+的产生速率降低[50]。去除率为 50.43%,硫酸盐浓度< 500 mg/L。120 min后,去除率的变化非常小(即300 min时为56.11%),与120 min时相比仅增加了5.68%。因此,选择 120 min 作为后续实验的反应时间。

Fig. 4. Effects of (a) reaction time, (b) aeration rate, (c) pH, (d) iron-carbon ratio, and (e) sulfate concentration on sulfate removal efficiency.
图 4.(a) 反应时间、 (b) 曝气速率、 (c) pH 值、 (d) 铁碳比和 (e) 硫酸盐浓度对硫酸盐去除效率的影响。
3.2.2. Aeration rate 3.2.2. 曝气率
曝气是处理污染物的重要因素,适当的曝气可以提高污染物去除率,解决铁碳填料的硬化问题[37]。然而,过度曝气会影响微型电池的形成 [38];因此,本研究考察了曝气速率对硫酸盐去除效率的影响。反应时间为 120 min,其他反应条件与上一次实验相同。实验结果如图 4(b) 所示,其中硫酸盐去除率随着曝气速率的增加而逐渐增加,然后降低。在 0.3 m3/h 时,硫酸盐去除率达到最高值 (53.39%)。当曝气速率< 0.3 m3/h 时,硫酸盐去除率逐渐提高。这主要是因为废水中的溶解氧和传质系数随着曝气速率的增加而增加,因此硫酸盐和铁碳填料之间的接触变得足够[50]、[51]。然而,过度曝气会加剧铁和碳填料的分离,这对微电池反应的形成有害[52];因此,硫酸盐去除率逐渐降低。虽然在曝气速率为 0.3 m3/h 时硫酸盐去除效率最高,但填料在此速度下处于静止状态[37],当通气速率为 0.5 m3/h 时,解决了这个问题。因此,经过综合考虑,曝气率为 0.在随后的实验中使用 5 m3/h。
3.2.3. pH 3.2.3. pH 值
pH 值是影响污染物处理的常见因素,在废水中经常波动 [53]。因此,研究了 pH 值对 ICE 去除硫酸盐的影响,实验结果如图 4(c) 所示。其他反应条件与上一个实验相同。图 4(c) 显示硫酸盐去除率随着初始 pH 值的增加而降低。当溶液的 pH 值大于 7 时,硫酸盐去除率急剧下降,然后趋于平稳。pH 2时,硫酸盐去除率达到50.19%;在 pH 7.0 时下降到 42.46%,而在 pH 10 时硫酸盐去除率仅为 33.13%。由此可见,pH 值对硫酸盐处理效果有相当大的影响。这是因为当 pH 值较低时,溶液的酸性更强,铁腐蚀速度更快,微电池的电位差更大,大大增强了处理效果 [54]。随着 pH 值的增加,微型电池的电位差减小,反应减慢,导致硫酸盐去除效率降低 [55]。当 pH 值大于 7 时,Fe2+ 容易沉淀,从而削弱其还原性 [56]。在随后的实验中使用 pH 值 2。
3.2.4. Iron-carbon ratio 3.2.4. 铁碳比
进行了铁碳比对 ICE 硫酸盐处理的影响,实验结果如图 4(d) 所示。pH 值为 2,其他反应条件与上一个实验相同。如图 4(d) 所示,随着铁碳比的增加,硫酸盐去除率逐渐增加,然后降低。当铁碳比为 1:1 时,去除效果最高,去除率为 50.19%。这是因为当铁碳比为 1:1 时,铁屑和活性炭可以完全接触,反应体系中形成的一次电池数量达到最大值,从而促进了反应 [42]、[43]。然而,过多的铁屑或活性炭会导致铁屑和活性炭之间的接触不足,形成的一次电池数量会减少,从而导致去除率降低[42]。在随后的实验中,铁碳比被确定为 1:1。
3.2.5. Initial sulfate concentration
3.2.5. 初始硫酸盐浓度
不同工业废水中的硫酸盐浓度通常不同。为了确定 ICE 工艺的适用条件,有必要研究初始硫酸盐浓度对硫酸盐去除率的影响。反应条件为:T = 20–25 °C,反应时间 = 120 min,曝气速率 = 0.5 m3/h,Fe/C = 1:1,pH = 2;结果如图 4(e) 所示。硫酸盐去除率随初始硫酸盐浓度的增加而降低,在初始硫酸盐浓度为 500 mg/L 时,去除率为 76.61%。虽然硫酸盐去除的绝对量高达 1072 mg/L,但在初始硫酸盐浓度为 10,000 mg/L 时,去除率仅为 10.72%。在初始硫酸盐浓度为 1,000 mg/L 时,去除率可保持在 50% 以上。由此可见,ICE 工艺更适合处理硫酸盐浓度< 1 000 mg/L 的废水。
3.3. Operational stability of the ICE process
3.3. ICE 流程的运行稳定性
为了研究铁碳填料在 ICE 工艺中的可重复使用性,进行了 20 天的连续运行测试;结果如图 5 所示。在 pH 2 下,初始浓度为 1000 mg/L 时,SO42- 的去除率随着运行时间的增加而逐渐降低。这可能是由于在如此低的 pH 值下消耗铁,导致微型电池的数量减少。根据溶解铁离子的测定,5 天内消耗的铁量为 ∼ 5 g。因此,每 5 天向反应器中加入 5 g 新鲜铁。从实验结果来看,加入新铁后,SO42- 的去除率几乎恢复到原来的水平。为了在研究低浓度条件下缩短添加铁的频率,SO42- 的初始浓度和 pH 值分别控制在 500 mg/L 和 2;其他条件与上述实验相同。实验结果表明,在20 d的操作时间内,SO42-的去除率维持在65%-70%之间,不加铁。因此,在处理实际废水时,需要根据废水性能和处理目标选择合适的操作条件。

Fig. 5. Efficiency of continuous operation of SO42- wastewater treated by different processes. Operating conditions: T = 20–25 °C, reaction time = 120 min (residence time of the solution in the reactor), aeration rate = 0.5 m3/h, Fe/C = 1:1.
图 5.通过不同工艺处理的 SO42- 废水的连续运行效率。操作条件:T = 20–25 °C,反应时间 = 120 分钟(溶液在反应器中的停留时间),曝气速率 = 0.5 m3/h,Fe/C = 1:1。
3.4. Mechanism experiment
3.4. 机制实验
3.4.1. Characterization of iron sludge generated in the reaction
3.4.1. 反应中产生的铁污泥的表征
采用 SEM 目测观察空白实验(活性炭不预先吸附硫酸盐,反应液不含硫酸盐,用盐酸调节 pH 值;其他条件与硫酸盐处理实验相同)和硫酸盐处理实验产生的铁污泥的形态变化。从图 6(a) 中可以看出,铁污泥具有规则的片状结构。然而,铁污泥的表面粗糙 [图 6(b)] 形状不规则,片状结构大大减少,表明硫酸盐的添加影响了铁污泥的形状和结构。此外,图 6(b) 还显示,在一些片状结构中,表面有许多小颗粒,这可能是硫酸盐处理后形成的新产品。

Fig. 6. Scanning electron microscopy (SEM) images of iron sludge produced in the reaction. (a) Iron sludge in the blank experiment, and (b) iron sludge after sulfate radical treatment.
图 6.反应中产生的铁污泥的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。(a) 空白实验中的铁污泥,以及 (b) 硫酸根自由处理后的铁污泥。
为了研究元素组成的变化,采用 EDS 对两种类型的铁污泥进行了表征。如图 7 所示,铁污泥主要由氧、铁、碳和硫组成。对比图 7(a) 和 7(b),氧的峰高和面积降低,铁基本保持不变,硫增加。如表 1 所示,硫的原子百分比仅从 0.11% 增加到 0.55%,这并不显着。考虑到 EDS 分析中的误差,使用 XPS、XRD 和拉曼光谱进一步确定元素变化。

Fig. 7. Energy-dispersive spectrometry (EDS) analysis atlas of iron sludge produced in the reaction. (a) Iron sludge in the blank experiment, and (b) iron sludge after sulfate radical treatment.
图 7.反应中产生的铁污泥的能量色散光谱 (EDS) 分析图集。(a) 空白实验中的铁污泥,以及 (b) 硫酸根自由处理后的铁污泥。
Table 1. Elemental contents in iron sludge analyzed by energy-dispersive spectroscopy (EDS).
表 1.通过能量色散光谱 (EDS) 分析铁污泥中的元素含量。
Element 元素 | Iron sludge produced in blank experiment 空白实验中产生的铁泥 | Iron sludge produced in sulfate treatment experiment 硫酸盐处理实验产生的铁泥 | ||
---|---|---|---|---|
Weight (%) 重量 (%) | Atomic (%) 原子 (%) | Weight (%) 重量 (%) | Atomic (%) 原子 (%) | |
O | 53.27 | 79.52 | 48.65 | 77.87 |
Fe 铁 | 41.92 | 17.93 | 41.23 | 18.91 |
C | 0.96 | 1.92 | 0.59 | 1.26 |
Pt 铂 | 3.57 | 0.44 | 8.41 | 1.1 |
S | 0.15 | 0.11 | 0.69 | 0.55 |
Cl Cl (四) | 0.13 | 0.08 | 0.43 | 0.31 |
此外,还进行了 XPS 分析以确认两种铁污泥表面的元素。使用 C 1 s (284.6 eV) 校准的 XPS 分析谱如图 8 所示。如图 8(a) 所示,XPS 在两个铁污泥样品的表面观察到氧、铁、碳和硫。表面铁的原子百分比从 51.06% 增加到 71.62%,硫的原子百分比从 0.09% 增加到 1.14%,如表 2 所示。此结果类似于 EDS 分析。同时,拟合了铁、氧和硫的高分辨率光谱,分别如图 8(b)、图 8(c) 和图 8(d) 所示。空白实验产生的铁污泥的2p XPS谱图可以解卷积为4个峰(710.47、712.43、719.03和725.23 eV),硫酸盐处理实验产生的铁污泥的2p XPS谱图可以解卷积为3个峰(711.43、719.29和725.41 eV),均被分配给Fe2+和Fe3+[55], [57],[58]。这与铁在鳞片石中的结合能 (FeOOH) 基本相同 [59]。在氧 1 s XPS 谱图中,结合能主要位于空白实验产生的铁泥的 529.59 和 531.03 eV,以及 529.81 和 531 eV。硫酸盐处理实验中产生的铁污泥为 18 eV,分别对应于 Fe-O 和 O-H [60]、[61];这证实了铁污泥中存在 FeOOH。如图 8(d) 所示,在空白实验产生的铁泥中观察到 SO32- (168.39 eV)、SO42- (165.06 eV) 和 S2- (162.38 eV) 的特征峰,在 168.17、164.08 和 161.67 eV 处的特征峰也揭示了 SO32-、SO42- 的存在。 和 S2-,分别在硫酸盐处理实验产生的铁泥中。硫酸盐处理后峰面积增加,证明硫酸盐会形成沉淀物,可通过絮凝和氧化还原去除。

Fig. 8. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra of iron sludge. (a) XPS full spectrum of iron sludge, (b) Fe 2p XPS spectra, (c) O 1 s XPS spectra, and (d) S 2p XPS spectra.
图 8.铁污泥的 X 射线光电子能谱 (XPS) 光谱。(a) XPS 铁污泥全光谱,(b) Fe 2p XPS 光谱,(c) O 1 s XPS 光谱,以及 (d) S 2p XPS 光谱。
Table 2. Elemental contents in iron sludge analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
表 2.通过 X 射线光电子能谱 (XPS) 分析铁污泥中的元素含量。
Element 元素 | Iron sludge produced in blank experiment 空白实验中产生的铁泥 | Iron sludge produced in sulfate treatment experiment 硫酸盐处理实验产生的铁泥 | ||
---|---|---|---|---|
Peak position 峰位置 | Atomic (%) 原子 (%) | Peak position 峰位置 | Atomic (%) 原子 (%) | |
Fe 铁 | 711.33 | 51.06 | 711.72 | 71.62 |
O | 530.80 | 48.85 | 529.81 | 27.24 |
S | 165.83 | 0.09 | 168.17 | 1.14 |
为了进一步验证两种铁泥中不同物质的形成,使用 XRD 对样品进行分析,如图 9 所示。两种类型的铁泥在 14.08° (2θ) 、 27.10° (2θ) 、 36.31° (2θ) 和 46.90° (2θ) 处都有明显的峰值,这是 FeOOH (PDF08-0098 和 PDF44-1415) 的特征反射。这是因为 Fe2+ 和 Fe3+ 会在反应中分别形成 Fe(OH)2 和 Fe(OH)3,它们将被氧化成 FeOOH。同时观察到 Fe2O3 、 Fe(OH)2 和 Fe(OH)3 峰。此外,硫酸盐处理实验中铁泥的峰值强度低于空白实验。这表明硫酸盐影响了 FeOOH 的形成。相比之下,在硫酸盐处理实验中观察到 FeS2 (PDF42-1340) 的特征峰 [62],但在空白实验中没有观察到。这表明硫酸盐可能已经转化为 FeS2 并还原为 S2-。总体而言,XRD 结果与 XPS 结果一致。

Fig. 9. X-ray diffraction (XRD) pattern of two kinds of iron sludge.
图 9.两种铁污泥的 X 射线衍射 (XRD) 图谱。
拉曼光谱已被广泛用于研究衍生物的键合模式和组成[63]。两种铁污泥的拉曼光谱如图 10 所示。在 210、277、390 和 587 cm−1 处的四个特征峰被分配给 FeOOH 的典型位置 [64]、[65]。硫酸盐处理实验中铁污泥的峰值强度低于空白实验,与 XRD 结果相似。在空白实验产生的铁泥中,分别在 490 和 663 cm-1 处鉴定出两个特征峰,分别为辉石 [66] 和 Fe3O4[65],而在硫酸盐处理实验中,这些峰消失了,这可能是因为硫酸盐影响了它们的形成。

Fig. 10. Raman spectra of two kinds of iron sludge.
图 10.两种铁污泥的拉曼光谱。
3.4.2. Detection of reaction products in solution and gas
3.4.2. 溶液和气体中反应产物的检测
为了进一步研究硫酸盐去除机制,对反应产物进行了检测和分析。首先,测定 pH 值和铁浓度,如图 11(a) 所示。铁浓度随时间增加呈先升高后降低的趋势。铁浓度在 5 min 前迅速增加(即从 0.29 增加到 192.83 mg/L),这主要是由于反应初期的低 pH 值和高酸度,加速了铁的腐蚀 [54]。这一趋势也解释了为什么硫酸盐去除率在反应的初始阶段增加得更快。5 min后,铁浓度降低。5 分钟时,pH 值为 5.39,Qc = C(Fe3+) × C(OH–)3 ≈ 2.8 × 10−14 > Ksp(Fe[OH]3) = 1.1 × 10−36。因此,形成了 Fe(OH)3 絮凝体,消耗速率大于生成速率,导致铁浓度降低。

Fig. 11. Changes in reaction product concentrations in solution and gas. (a) Changes in pH and iron concentration; (b) changes in SO32-, SO42-, and S2- concentrations in solution; (c) percentage of sulfur in different phases (partial enlarged view).
图 11.溶液和气体中反应产物浓度的变化。(a) pH 值和铁浓度的变化;(b) 溶液中 SO32-、SO42- 和 S2- 浓度的变化;(c) 不同相中硫的百分比(部分放大图)。
然后,除 SO42- 外,还测定溶液中的 SO32- 和 S2- 浓度,如图 11(b) 所示。溶液中 SO42- 浓度随时间的增加呈逐渐降低的趋势。然而,溶液中 S2- 和 SO32- 浓度随时间的增加而逐渐增加。这表明硫酸盐最初可以还原为 SO32-,然后还原为 S2-。由于 S2- 易与 H+ 结合形成 H2S 气体,因此尾气被碱溶液吸收后,测定 S2- 浓度。进行气相、液相和泥浆中硫的质量平衡,如图 11(c) 所示。泥浆中的硫含量是由总硫含量减去气相和液相中的硫含量得出的。液相中的硫含量包括 SO42-、SO32- 和 S2-。从图 11(c) 中可以看出,脱除的硫主要进入泥浆,很少进入气相。
3.5. Sulfate removal pathways by the ICE process
3.5. ICE 工艺去除硫酸盐的途径
基于上述实验结果和反应器性能,确定了 ICE 工艺去除硫酸盐的主要途径。在我们之前的研究中,ICE反应器已被证明具有氧化和还原的双重功能[46]。硫酸盐最初可还原为 SO32- ( ),然后还原为 S2- ( ) [67],S2- 与 H+ 和 Fe2+ 结合形成 H2S 和 FeS,可以被去除 [27]、[68]。此外,随着反应的进行,溶液中可以产生 Fe(OH)2 和 Fe(OH)3 絮凝体,并且可以通过 Fe(OH)2 和 Fe(OH)3 的絮凝沉淀去除硫酸盐[69]。可能的反应如方程 (6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12) 所示。 (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13)
4. Conclusion 4. 结论
ICE工艺对硫酸盐废水处理是可行的,当初始硫酸盐浓度为1000 mg/L时,硫酸盐去除率达到 50%以上 。研究了反应时间、曝气速率、pH 值、铁碳比和初始硫酸盐浓度对 ICE 去除硫酸盐的影响。反应时间为 120 min,曝气速率为 0.5 m3/h,pH 值为 2,铁碳比为 1:1,初始硫酸盐浓度为 500 mg/L,硫酸盐去除效率最高为 76.6%。同时,SEM、EDS、XPS、XRD和拉曼光谱分析结果表明,硫酸盐最初可能被还原为SO32-,然后还原为S2-,与H+和Fe2+结合形成H2S和FeS。此外,可以通过 Fe(OH)2 和 Fe(OH)3 的絮凝和沉淀去除硫酸盐。总之,ICE 工艺可能是从废水中轻松去除硫酸盐的有效方法。
CRediT authorship contribution statement
CRediT 作者贡献声明
韩燕和:概念化、写作 – 审查和编辑、监督、资金获取。吴传涛:方法论、调查、形式分析、写作 - 原稿。傅小璐:调查,正式分析。苏志敏:调查,正式分析。刘梅丽:写作 - 审查和编辑。
Declaration of Competing Interest
利益争夺声明
作者声明,他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系,这些利益或个人关系似乎可能会影响本文报告的工作。
Acknowledgments 确认
这项工作得到了中国国家自然科学基金 [授权号 21677018, 21908008] 以及北京自然科学基金和北京市教育委员会联合项目 [授权号 KZ201810017024] 的支持。
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