高壓脈沖電絮凝處理含六價鉻廢水

朱小梅,孫冰,趙娜,那海珍

(1.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116026;2.沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械裝備系,遼寧沈陽 110045)

高壓脈沖電絮凝處理含六價鉻廢水

朱小梅1,孫冰1,趙娜2,那海珍1

(1.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116026;2.沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械裝備系,遼寧沈陽 110045)

為解決電鍍廢水的處理問題,采用高壓脈沖電絮凝技術(shù)對含六價鉻廢水進行處理,研究了電流、通電時間、脈沖頻率和六價鉻的質(zhì)量濃度對處理效果和能耗的影響.實驗結(jié)果表明,高壓脈沖電絮凝法對廢水中的六價鉻離子具有很高的去除率,最高可達100%.六價鉻的去除率隨著電流、通電時間、脈沖頻率的增加而增加.該方法具有能耗低的優(yōu)點,適當(dāng)?shù)靥岣呙}沖頻率、降低電流可以降低能耗,提高能量效率.

高壓脈沖;電絮凝;含鉻廢水;能耗

電鍍行業(yè)是當(dāng)今全球三大污染工業(yè)之一,作為工業(yè)生產(chǎn)的一個重要污染源,其重金屬廢水的排放給環(huán)境帶來了巨大的損害,也給人類帶來了極大的危害,其中以六價鉻最為突出.人們在逐漸認識到重金屬廢水對環(huán)境特別是對人類自身產(chǎn)生的危害后,制定了嚴格的污水排放標準,并采取了多種措施治理重金屬廢水污染,包括化學(xué)沉淀法、化學(xué)絮凝法、浮選法、電解法、離子交換法以及膜過濾法等[1-5],雖然含鉻廢水的處理方法有很多,但是每種方法都存在著一定的不足,從而限制了它們的應(yīng)用,如化學(xué)法是諸多方法中較為可靠成熟的處理工藝,但該方法對自動化程度要求較高,工藝流程較復(fù)雜,并且必須加藥,造成廢渣量大;電解法也是一種較成熟的處理技術(shù),但是該技術(shù)存在成本較高的缺點.高壓脈沖電絮凝法是近幾年發(fā)展起來的處理電鍍廢水的方法[6-8],該技術(shù)突破傳統(tǒng)的低電壓、大電流之電解法,而采用高電壓、小電流,借助外加高電壓作用產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng),把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,可實現(xiàn)對廢水中有機或者無機物的氧化還原反應(yīng),進而凝聚、浮除,將污染物從水體中分離.該技術(shù)運行過程中不需添加化學(xué)絮凝劑,從而減少了污泥的產(chǎn)生量,并且該方法集氧化還原、絮凝、氣浮為一體,操作簡單,處理效率高,節(jié)省電能,具有很好的推廣應(yīng)用價值.

本文采用鐵板作為電極,對高壓脈沖電絮凝技術(shù)處理含六價鉻廢水進行了研究,考察了電流、通電時間、脈沖頻率、溶液六價鉻初始質(zhì)量濃度等對含六價鉻廢水的處理效果和能耗的影響.

1 實驗部分

采用自制的高壓脈沖電源,取1.5 L的含六價鉻重金屬離子的模擬廢水(Cr6+的質(zhì)量濃度為30 mg/L, p H為3.5)于反應(yīng)容器中,將多板鐵電極放入廢水中并連接電路,接通電源處理廢水,處理時間為3～16 min.

采用泰克科技有限公司的數(shù)字式熒光示波器(digital phospho r oscilloscope,TDS3032B)測定處理過程中的電壓、電流以及脈寬;用DDS-11A型數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定溶液的電導(dǎo)率;用梅特勒-托利多儀器有限公司生產(chǎn)的p H計測定廢水的p H值;用CJ/T 71—1999城市污水六價鉻的測定二苯碳酰二肼分光光度法測定電鍍廢水中的六價鉻.

2 結(jié)果與討論

2.1 電流對六價鉻去除率和能耗的影響

分別選取電流為0.1,0.3,0.4,0.5,0.7,0.9 A,此時各電流對應(yīng)的電壓分別為13.3,22.8,30.0,38.6, 48.7,64.3 V.在通電時間(8.0 min)相同的條件下,電流對六價鉻去除率的影響如圖1所示.

由圖1可以看出,在通電時間一定的情況下,隨著電流的增加,廢水中六價鉻的去除率逐漸增大.當(dāng)電流達到0.5 A以上時,六價鉻的去除率可以達到近100%.

圖1 六價鉻去除率隨電流的變化曲線Fig.1 Cr6+removal rate with applied curren t

高壓脈沖電絮凝過程中的能耗E可以由公式(1)計算,由公式(1)可知,電流可以影響能耗.

式中:E——每t水處理能耗(kW h/t),U——單元電解電壓(V),I——單元電解電流(A),t——通電時間(h),Q——處理水量(t).

圖2為電流對由公式(1)計算得到的能耗的影響.在通電時間一定的情況下,電流越大,能耗也越大.

根據(jù)Faraday定律可知,在處理量一定的情況下,對于一定質(zhì)量濃度的六價鉻溶液,使六價鉻質(zhì)量濃度下降到一定值所需要的Charge loading(通過單位體積廢水的電量)是一定的,增大電流可以縮短反應(yīng)時間.為了更深入研究電流的影響,比較同一Charge loading的條件下,大電流(0.9 A)和小電流(0.5 A)對六價鉻去除率和能耗的影響,實驗結(jié)果如表1所示.

表1 不同電流對六價鉻去除率和能耗的影響Tab.1 Effect of differen t applied curren t on Cr6+removal rate and energy effiency

由表1可見,電流由0.5 A增大到0.9 A時,100%去除所需通電時間由8.0 min降至4.4 min,分析主要原因可能是,在單位時間內(nèi),電流越大,極板上溶下的鐵離子就越多,Fe2+對六價鉻的還原能力就越強,而且形成共絮體的速度也更快;但電流的增大使槽電壓也隨之增大,從而使能耗增大.從能量效率計算結(jié)果可以看出,大電流的能量效率明顯低于小電流,這說明與小電流相比,電流過大時能量以其他形式損耗的更多.由此可見,電流增大不利于降低能耗.

此外,從電化學(xué)意義上分析,電流越大,超電勢也會越大,電能消耗隨之變大,電極的極化和鈍化現(xiàn)象也會加劇,從而導(dǎo)致達到理想處理效果所需要的電壓和能耗增大.因此電流是影響電絮凝處理效果和能量效率的重要因素之一.在實際工程中,為了節(jié)約能耗、提高能量效率,在保證可以完成處理水量的前提下,要盡量降低電流,采用小電流進行脈沖電絮凝.

2.2 通電時間對六價鉻去除率和能耗的影響

當(dāng)電流為0.5 A,脈沖頻率為10 kHz時,考察了通電時間對六價鉻去除率的影響,結(jié)果如圖3所示.隨通電時間的增加,六價鉻的去除率增大,對于六價鉻質(zhì)量濃度為30 mg/L的溶液,通電8.0 min,其去除率可達到99.8%,反應(yīng)后廢水中六價鉻的質(zhì)量濃度為0.06 mg/L.

對處理后廢水的p H值測量發(fā)現(xiàn),出水p H值除處理時間為3.0 min時為5.99,大于3.0 min處理時間的出水p H值均為6～9,處理時間為8.0 m in時出水p H值為7.40,直接達到國家污水排放標準中對p H值的要求,無需另投加化學(xué)藥劑.

由此可見,通電時間的長短直接影響處理效果和處理成本.從理論上講,通電時間越長,六價鉻的去除率越高,處理效果越好.但過長時間的通電容易增加能耗和水力停留時間,使處理成本增加,并造成出水p H值過高,超出排放標準.

2.3 電源頻率對六價鉻去除率和能耗的影響

脈沖頻率是脈沖電源區(qū)別于直流電源的重要特性參數(shù).表2考察了在恒定電流(0.5 A)、相同通電時間(8.0 min)和處理水量相同的條件下,槽電壓、能耗及六價鉻的去除率隨脈沖頻率的變化.

表2 槽電壓、能耗及六價鉻去除率與脈沖頻率的關(guān)系Tab.2 Voltage,energy consum ption and Cr6+removal rate with pulse frequency

從表2可以看出,隨著脈沖頻率的增加,六價鉻的去除率略有增加.脈沖頻率對槽電壓和能耗的影響很大,隨著脈沖頻率的增加,槽電壓下降明顯.根據(jù)公式(1),在電流I、時間t和處理水量一定的條件下,槽電壓直接影響了能耗.因此,隨著槽電壓的不斷降低,能耗也隨之減少,能量效率隨之增大.由此可見,脈沖電絮凝法處理電鍍廢水的反應(yīng)更適合在高頻條件下進行.

2.4 溶液初始質(zhì)量濃度的影響

在處理水量一定的條件下,溶液中六價鉻的初始質(zhì)量濃度直接影響了使出水水質(zhì)達標所需要的通電時間.圖4給出了六價鉻質(zhì)量濃度分別為30,40和50 mg/L時,六價鉻去除率與通電時間的關(guān)系.

圖4 六價鉻不同初始質(zhì)量濃度時,去除率與反應(yīng)時間的關(guān)系Fig.4 Cr6+removal rate with reactive time on differen t original concentration of Cr6+

由圖4可以看出,當(dāng)六價鉻質(zhì)量濃度為40 mg/L時,在處理時間為12.0 min時其去除率可以達到99.9%以上;六價鉻質(zhì)量濃度為50 m g/L時,需要16.0 m in其去除率才能達到99.9%以上.可見六價鉻初始質(zhì)量濃度越高,需要的處理時間就越長.

中小型電鍍廠或電鍍車間電鍍含鉻廢水中,六價鉻離子質(zhì)量濃度在10～20 m g/L,只有不到5%的時間超過40 mg/L[9].因此,在本實驗所得到的最優(yōu)化參數(shù)下,8.0 min的處理時間內(nèi),可以保證六價鉻離子去除率達到99.9%. 2.5 能耗分析

傳統(tǒng)電絮凝方法的應(yīng)用之所以受到限制,主要是因為其運行費用較高、能耗較大.下面根據(jù)本實驗的研究內(nèi)容,分析影響能耗的主要因素,討論高壓脈沖電絮凝法的節(jié)能措施.

從能耗公式(1)可以看出,在處理一定水量的廢水時,能耗是由槽電壓U、電流I及反應(yīng)時間t決定的.因此,在保證處理效果的同時,為了節(jié)約電耗,要盡量降低槽電壓,采用小電流和縮短反應(yīng)時間.

本實驗研究結(jié)果表明,減小電流可以節(jié)約能耗,提高能量效率.在電流一定的情況下,影響槽電壓的主要因素包括脈沖頻率、通電時間等.適當(dāng)?shù)卣{(diào)高脈沖頻率可以降低槽電壓,達到降低能耗的目的.在實際廢水的處理過程中,應(yīng)盡量找出使出水水質(zhì)達標所必要的通電時間,避免不必要的能量損耗.

3 結(jié)論

采用高壓脈沖電絮凝法可以有效去除廢水中的六價鉻,當(dāng)處理水量為1.5 L、六價鉻質(zhì)量濃度為30 mg/L,電流為0.5 A,脈沖頻率為10 k Hz,反應(yīng)時間8.0 min左右時,六價鉻的去除率可以達到近100%,出水p H值達到7.4左右,能耗為1～2 kW h/t.對于一定質(zhì)量濃度的六價鉻溶液,電流影響了達到99.9%去除率的反應(yīng)通電時間、能耗和能量效率,在反應(yīng)時間一定的情況下,六價鉻的去除率隨電流的增加而增大,增大電流雖然可以縮短反應(yīng)時間,但同時大大增加了能耗、降低了能量效率.六價鉻的去除率隨反應(yīng)時間的增加而逐漸增加,出水p H值也逐漸增大.頻率對六價鉻去除率有一定的影響,使用高頻脈沖,可以降低能耗,提高能量效率.另外,隨著六價鉻初始質(zhì)量濃度的增加,六價鉻去除率降低,且達到99.9%以上去除率所需的時間增長.綜上,該方法在處理含六價鉻廢水方面具有很大優(yōu)勢,產(chǎn)生的污泥量較少,可以有效地防止電極鈍化,縮短反應(yīng)時間,減少能耗,具有廣闊的應(yīng)用前景.

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Treatmen t of Wastewater Contain ing Cr6+by High Voltage Pulsed Electrocoagulation

ZHU Xiao-mei1,SUN Bing1,ZHAO Na2,NA Hai-zhen1
(1.College of Environment Science and Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China; 2.College of M echanical Equipment,Shenyang Po lytechnic College,Shenyang 110045,China)

In order to solve the p roblem of the electrop lating wastewater treatment,high voltage pulsed electrocoagulation technology was designed to remove the Cr6+containing wastewater.The effecsof several wo rking parameters,such as current density,pulse f requency,and the concentration of Cr6+on the treatment efficiency and energy consump tion were studied.Experimental results indicated that the high voltage pulsed electrocoagulation technology could remove the Cr6+containing wastewater efficiently.And the removal rate w as 100%w ith an op tim um experimental condition.The removal rates of Cr6+increased w ith inc reasing current density,reaction tim e and pulse frequency.The high voltage pulsed electrocoagulation technology had themeritsof low energy consump tion.The app rop riate increase of pulse f requency and the decrease of current density can imp rove the energy efficiency.

high voltage pulse;elctrocoagulation;Cr6+containing wastewater;energy consump tion

X 703.1

A

1000-1565(2010)05-0538-05

2010-04-20

國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室開放基金資助項目(200919);國家自然科學(xué)基金資助項目(10875019;41005079);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2009JC05;2009QN060)

朱小梅(1979—),女,遼寧大連人,大連海事大學(xué)講師,主要從事污染控制、環(huán)境友好催化的研究.

(責(zé)任編輯:趙藏賞)