楊嘉葦 奈米零價鐵去除養豬廢水中硫化氫之研究
Removal of Hydrogen Sulfide with Nanoscale Zero-Valent Iron from Piggery Wastewater 摘要 本論文研究之主要目的是利用奈米級零價鐵去除養豬廢水厭氧池中所含之硫化 氫，並且模擬水中之環境，以探討去除效率及可能去除機制。將實驗室自行配製 之奈米零價鐵添加至污染物系統中，於不同參數下進行批次試驗。試驗過程主要 影響因子包括：奈米零價鐵劑量、pH 值、水中之硝酸鹽與磷酸鹽類、曝氣的影 響等，另外進行相關反應動力學、飽和吸附量、重複再添加試驗等試驗。再利用 TEM、XRD、TGA、FT-IR 等相關儀器分析，進行奈米零價鐵金屬去除硫化物種之 機制探討。最後利用實場厭氧池廢水進行實驗室內試驗，並將其結果應用於實場 模槽中進行現地試驗。奈米零價鐵去除硫化氫受pH 的影響極大，在酸性條件下， 則去除效率最佳。水中之磷酸根離子對硫化氫之去除具有抑制效應，但硝酸根則 具有促進效應。在酸性環境會與奈米零價鐵反應產生亞鐵離子，可幫助奈米零價 鐵提升去除硫化氫之效率，磷酸根則會與鐵鹽形成其複合物而降低亞鐵離子之生 成。奈米零價鐵去除硫化氫曝氣試驗中，有曝氣之試驗其去除效果較佳，可顯示 奈米零價鐵去除硫化氫與奈米零價鐵表面氧化殼層有關。在重複添加的實驗中， 針對 10 g/L 奈米零價鐵金屬再添加第四次之後，仍還有 40%以上之去除效果， 其飽和吸附量在鹼性為1666 mg/g、中性為 3333 mg/ g、酸性為 5000 mg/g。而 經計算反應動力學之結果，硫化氫降解反應為2 階反應，奈米零價鐵為 1.4 階。 在EDS 鑑定分析中，證實奈米零價鐵材料之上具有硫之特徵波峰，XRD 掃描分析 方面，反應過後之奈米零價鐵除了原先有之氧化鐵及氫氧化鐵合成之晶形 (FeOOH)，另外也產生硫化亞鐵(FeS)之特稱波峰，TGA 分析結果顯示，在奈米零 價鐵與硫化氫反應後也產生硫化亞鐵之產物。由以上結果證實奈米零價鐵對去除 水中硫化氫主要有兩種機制：(1) 奈米零價鐵於酸性環境中，主要所產生之亞鐵 離子，可有效提升硫化氫之去除。 (2) 奈米零價鐵所形成之外表殼層 FeOOH， 主要會以吸附之形式去除水中硫還原物種。由現地模槽的試驗中，添加約1.25 Kg 奈米零價鐵於實驗組中，其去除效率約可維持14 天左右，而 30 天後去除效果逐 漸下降。
The removal of hydrogen sulfide from piggery wastewater by nanoscale zero-valent iron (NZVI) was investigated. NZVI was prepared by the wet chemical synthesis method. Results indicate that the degradation efficiency increases with increasing NZVI concentration and DO. Results revealed that the hydrogen sulfide removal efficiency using NZVI particles was highly dependent on pH with maximum removal efficiency at pH 4. We used TEM, XRD, TGA, FTIR to characterize material changes before and after experiment. Kinetics analysis in batch studies demonstrates that the removal of hydrogen sulfide by nanoscale Fe0 fits well with the second - order
reaction with respect to hydrogen sulfide concentration. A maximum adsorption capacity of 3333 mg/g were determined for hydrogen sulfide removal at pH = 7. At pH = 12, sulfide can be sorbed onto the iron particle via formation of surface
complexes. FeOOH react directly with hydrogen sulfide. At pH = 4, iron nanoparticles react with water to release ferrous iron, that further precipitates with sulfide (S2-) to iron sulfide (FeS).
