摘要:采用自行设计的有机玻璃电解槽用电化学方法处理含重金属离子电镀废水,讨论了电极材料选择的重要性,及ｐＨ值、电极间距和电极联结方式对于去除效果的影响,确定了电解过程的最佳工艺条件。 关键词:电化学;电镀废水;重金属离子;去除率 中图分类号:Ｘ781 1文献标识码:Ａ 近年来,电化学法处理废水已成为研究热点之一。电解法作为一种较为成熟的水处理技术,目前,已广泛用于处理印染废水、制药废水、造纸黑液和含氰、含铬的电镀废水等。在水处理研究中电解槽可兼有氧化、还原、凝聚及上浮等多方面的功能[1]。Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ等[2]研究表明,金属电沉积具有选择性,30多种金属离子可从水溶液中电沉积到阴极上,包括贵金属和重金属。 微电解(电凝聚)[3]是在外电压作用下,利用可溶性阳极产生大量阳离子,对电镀废水进行凝聚沉淀,将金属电极置于待处理的废液中,然后通以直流电,此时金属阳极发生氧化反应,产生的阳离子在水中水解、聚合生成一系列多核水解产物而起凝聚作用。同时阴极上产生的还原能力极强的新生态氢可与废水中的污染物起还原反应或生成氢气,在阳极上也有可能有氧气放出,氢气和氧气以微气泡的形式出现,在水处理过程中与悬浮颗粒接触可获得良好的粘附性能,从而提高水处理效率。 1试验部分 1.1试验仪器与设备 电解法处理过程一般有间歇式和连续式两种[4]。本文采用间歇式处理方法,其工艺流程见图1。电解槽为自行设计的长方体有机玻璃槽,电解槽结构尺寸为22 1ｃｍ×14 8ｃｍ×10 6ｃｍ,反应器底部均匀分布有4条针孔曝气管路。电极板尺寸为22 1ｃｍ×11 5ｃｍ,电极板间距可调节。电源为ＷＹＪ0型直流稳压电源(上海全力电器有限公司);数字酸度计为ＰＨＳ3Ｃ型(上海精密科学仪器有限公司);电导率仪为ＤＤＳ11Ａ型(上海雷磁新泾仪器有限公司);玻璃转子气体流量计,ＬＺＢ型(天津河东五环仪表厂)。
1 2试验分析方法 试验用水样取自天津市润泽电镀废水。水样各项指标为,ｐＨ=1 62,Ｃｒ6+、Ｚｎ2+和ＣＮ-离子的质量浓度(ｍｇ/Ｌ)分别为134 20、41 47和18 48。 试验后经处理过的水样用耐酸滤过漏斗(Ｇ3/40ｍＬ)过滤后,由ＨＩＴＡＣＨＩ180 80型原子吸收分光光度计测定金属离子含量,硝酸银滴定法[5]测定氰离子含量。 2结果与讨论 2 1不同电极板材料去除率的比较 电极板材料的选用,对处理效果影响很大。材料的性能直接影响电解历时和电能消耗。电极材料应根据处理对象和起主导的电解过程进行选择。国内通常采用电化学法处理电镀废水中的重金属离子,阴阳极均采用钢板[6]。平板电解槽除铬目前在国内外大都采用不溶性铅或石墨为阳极,要求较大的电流密度[7]。试验中选用不锈钢、石墨以及铁板分别作为阳极、阴极材料,电解处理含Ｃｒ6+、Ｚｎ2+和ＣＮ-离子电镀废水。试验条件为电压Ｕ=10Ｖ,电流Ｉ=0 2Ａ,电解时间ｔ=1 5ｈ,试验结果见表1。 比较表1中Ｃｒ6+、Ｚｎ2+和ＣＮ-离子的去除率表明,以不锈钢作为阳、阴极材料和铁板作为阳、阴极材料可以得到相对较好的去除效果,重金属离子去除率都在95%以上,这是阳极氧化过程和阴极还原过程双重作用的结果。选用阳极材料石墨,阴极材料不锈钢(5#)时,虽然对于Ｚｎ2+、ＣＮ-都可达到较高的去除率,Ｃｒ6+去除效果不理想,因此权衡考虑本文选用铁板和不锈钢板作为电极材料进行后续试验。
2 2不同电极板间距对电极ＪＵ曲线的影响 图2和图3是在室温下20℃,电导率κ为0 661Ｓ/ｍ时,变化电极板间距采用单极式联结的不锈钢和铁板电极的ＪＵ曲线。
从图2和图3可以看出,在同一槽电压Ｕ下,随着电极板间距的减小,电流密度逐渐增加,且不同电极板间距下不锈钢和铁板电极的ＪＵ曲线具有一定的线性相关性。 2.3ｐＨ值对电解过程的影响 由图4可以看出,废水溶液ｐＨ值对电解去除效果的影响是很明显的。总体来看,无论对于不锈钢电极还是铁板电极Ｃｒ6+、Ｚｎ2+和ＣＮ-的电沉积电解去除率均随着ｐＨ值的升高呈上升趋势,但高于一定ｐＨ后去除率又有较少降低。采用不锈钢电极电解ｐＨ>4 5时已检不出电解后废液中铬浓度,采用铁板电极电解时ｐＨ>2 82时电解后废液铬浓度已检不出。采用不锈钢电极,对于三种离子最佳的ｐＨ在3 0～5 0范围;对于铁板电极,最佳的ｐＨ在3 5～5 5范围。权衡考虑,电解过程ｐＨ值控制在4 5～5 5之间。
ｐＨ值对Ｃｒ6+去除率的影响主要和Ｃｒ6+的脱除方式有关,随着电解液酸性增大,溶液中的ＯＨ-减少,Ｃｒ6+离子形成氢氧化物的可能性降低,从而降低了去除效果。而Ｚｎ2+离子部分以金属单质的形式析出,部分和ＣＮ-形成稳定络合物以絮状沉淀沉积在反应器底部。ｐＨ值较高时(ｐＨ>6),Ｃｒ6+和Ｚｎ2+在反应器内容易发生水解沉淀并附着在电极板表面,导致不锈钢或铁板表面钝化。 2.4不同电极联结方式的影响 电极联结方式可分为单极式和复极式两种[8](见图6)。在单极式电解槽中,每一个电极均与电源的一端联接,电极的两个表面为同一极性;而在复极式电解槽中,仅有两端的电极与电源的两端联接,其余电极的两个表面具有不同的极性,中间的电极被感应成双性电极。
表2是在室温22℃,电解时间ｔ=1 5ｈ,搅拌空气用量0 25ｍ3/ｈ时得到的试验结果。
由表2可见,在同一槽电压下,由于单极式联结的槽电压等于任意两块相邻电极板间的电位差,而复极式联结的槽电压等于各相邻电极板间电位差之和,通过复极式电极的电流密度远小于通过单极式电极的电流密度。或者说,对应于相同的电流密度,单极式联结的槽电压要小得多。且复极式联结有利于氰离子的去除,对于重金属离子的去除也都可达到95%以上。 3结论 采用不同的材料,可溶性(铁板)和不溶性(不锈钢和石墨)电极,电解时都会发生钝化现象。对于含Ｃｒ6+、Ｚｎ2+和ＣＮ-离子的电镀废水适用的材料为铁铁、不锈钢不锈钢配对电极。 在槽电压相同时,随着电极板间距的增加,电流密度逐渐减小;通过复极式电极的电流密度远小于通过单极式电极的电流密度。复极式联结与单极式联结相比,对于重金属离子的去除效果不明显,但对于氰化物的电解去除则有较好的结果。 ｐＨ值对于电解过程影响很大,且随着电解过程的进行,电解槽的电压基本不变,而电流则有所减小(产生的氢氧化物增加了电阻值)。ｐＨ值过低不利于电解处理,过高又不利废水中的ＯＨ-与重金属离子结合生成氢氧化物。 参考文献: [1]周 军,金奇庭.电解法处理废水的研究进展[Ｊ].水处理技术,2000,26(3):130-135. [2]ARMSTRONGRD,TODDM.Selectiveelectrode position of metals froms imulated waste solutions[J].JapplElectrochem,1996,26:379-384. [3]甘 莉,甘光奉.电凝聚水处理技术的新进展[Ｊ].工业水处理,2002,22(5):5-7. [4]郝火凡,柳明宇,张乐群.电解法处理含铬废水的模拟试验研究[Ｊ].甘肃环境研究与监测,2003,16(3):247-248. [5]《水和废水监测分析方法指南》编委会.水和废水监测分析方法指南(上册)[Ｍ].北京:中国环境科学出版社,1990. [6]孙 放,任运根,熊家胜.电化学法应用于水处理的研究进展[Ｊ].中外建筑,2003,4:111-112. [7]聂 云,李伟森,时晓庆,等.电解法处理含氰镀铜废液的试验研究[Ｊ].天津冶金,1999,3:39-41. [8]王车礼,张登庆,陈毅忠,等.电絮凝过程电流密度与槽电压关系研究[Ｊ].工业水处理,2002,22(7):28-30.
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