自制電凝聚反應(yīng)器降解活性艷藍(lán)KN-R的因素研究

劉釗

(武漢紡織大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430200)

1 引言

電凝聚法處理印染廢水是常用的處理方法之一,本研究采用的反應(yīng)器是在傳統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)上,綜合考慮電極鈍化等因素自行改進(jìn)設(shè)計(jì)的[1,2]?；钚云G藍(lán)KN-R模擬染料廢水為處理對(duì)象?？疾炝穗娊鈺r(shí)間、電解質(zhì)的濃度、電流密度和攪拌速率對(duì)降解效果的影響,得到了該反應(yīng)器最佳反應(yīng)條件。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用裝置為自制環(huán)流多段式型電凝聚器,裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電凝聚槽示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

用蒸餾水配置成濃度為100mg/L的模擬KN-R廢水,采用單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法考察電流強(qiáng)度、通電時(shí)間、攪拌速度、電解質(zhì)NaCl投加量對(duì)脫色率和CODCr的去除率的影響。為確保每次實(shí)驗(yàn)條件的一致性,實(shí)驗(yàn)完畢均用稀硫酸浸洗反應(yīng)器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電流強(qiáng)度的影響

分別用電流強(qiáng)度2A,4A,6A,8A,10A對(duì)100mg/L的KN-R模擬廢水進(jìn)行處理,將攪拌速率控制在V=50r/min,調(diào)節(jié)p H=7,倒極頻率60s/次,NaCl投加量為2g/L,出水靜置30min后取上清液,CODCr隨反應(yīng)時(shí)間的降解率如圖2所示。

由圖2發(fā)現(xiàn):對(duì)于一定大小的電極板,攪拌速率一定的情況下,電流強(qiáng)度大小決定了單位時(shí)間內(nèi)電解出鋁離子、氧氣、氫氣的速率及電極表面氧化還原反應(yīng)的能力的大小。隨著電流強(qiáng)度增大,在反應(yīng)時(shí)間到達(dá)40min時(shí),CODCr的去除率越大;電流強(qiáng)度越大,單位時(shí)間內(nèi)電解產(chǎn)生的Al3+的數(shù)量越多,形成的Al(OH)3水合膠粒越多,所能絮凝的染料分子量越多,CODCr在相同時(shí)間內(nèi)降解的速率越快。

不同的電流強(qiáng)度下,CODCr的降解速率最快階段出現(xiàn)的時(shí)間不同。電流強(qiáng)度越大,出現(xiàn)這個(gè)階段的時(shí)間越早;電流強(qiáng)度越小,這個(gè)階段越晚,電流強(qiáng)度為2A時(shí),至設(shè)定反應(yīng)時(shí)間結(jié)束時(shí),仍未出現(xiàn)降解速率最快階段。

電流強(qiáng)度越大,對(duì)水及電解質(zhì)NaCl的電解氧化作用越明顯,因而相同時(shí)間內(nèi),產(chǎn)生的 O3-、HClO、ClO-速率越快,所能氧化斷鍵的染料分子水量越多。因?yàn)殡娔圻^(guò)程中,從開(kāi)始電解出鋁鹽離子到溶液中存在大量Al(OH)3膠體是一個(gè)水解反應(yīng)平衡過(guò)程,最基本的水解方程式如下:

當(dāng)電流強(qiáng)度越大時(shí),越能縮短溶液內(nèi)滿足Al(OH)3達(dá)到最大濃度時(shí)所需Al3+濃度的時(shí)間,越能縮短最快反應(yīng)速率出現(xiàn)時(shí)間。圖2的結(jié)果顯示,選用8A或10A電流強(qiáng)度時(shí),色度去除率在反應(yīng)25min時(shí)均能超過(guò)90%,CODCr去除率在反應(yīng)進(jìn)行到30min時(shí)都在60%左右,相差不大,故從經(jīng)濟(jì)角度考慮,在保證一定出水水質(zhì)情況下,選用8A電流強(qiáng)度處理100mg/L的KN-R模擬廢水是合理的。

圖2 電流強(qiáng)度對(duì)CODCr去除率的影響

3.2 通電時(shí)間的影響

選用8A電流強(qiáng)度,pH控制為7,攪拌速率調(diào)節(jié)為50r/min,NaCl投加量控制在2g/L,倒極頻率60s/次,對(duì)100mg/L的KN-R模擬染料廢水進(jìn)行處理,定時(shí)取樣,靜置30min,測(cè)得通電時(shí)間對(duì)模擬廢水色度及CODCr去除率影響如圖3所示。

由圖3可知,在電解初期色度和CODCr去除速率都比較快,到了電解后期降解速率趨于平緩。隨著電解的進(jìn)行,溶液內(nèi)絮體濃度越來(lái)越大,析氧反應(yīng)加快,同時(shí)由于溶液中染料分子濃度降低,分子間發(fā)生碰撞的幾率較前期大大降低,反應(yīng)速率降低,隨著氧化反應(yīng)的深入,溶液中殘余的小分子氧化電位可能升高,氧化反應(yīng)所需的活化能增大,降解速率降低。色度去除率在反應(yīng)進(jìn)行到25min就達(dá)到了93%,此時(shí)CODCr去除率達(dá)到 55%,繼續(xù)反應(yīng)時(shí),去除率變化速率變慢。達(dá)到30min以后,兩項(xiàng)指標(biāo)降解速度較慢,為提高出水效果,將反應(yīng)時(shí)間確定為40min。

圖3 通電時(shí)間對(duì)CODCr和色度去除率的影響

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)于100mg/L的KN-R模擬染料廢水,采用8A恒電流直流電電凝聚時(shí),CODCr和色度去除率隨反應(yīng)時(shí)間遵循以下二級(jí)模擬反應(yīng)動(dòng)力學(xué),相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)分別為0.9862和0.9531。CODCr模擬反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為:

色度模擬反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為:

3.3 電解質(zhì)投加量的影響

控制反應(yīng)電流強(qiáng)度為8A,將攪拌速率控制在V=50r/min,調(diào)節(jié) pH=7,倒極頻率60s/次,對(duì)初始質(zhì)量濃度為100mg/L的KN-R模擬染料廢水進(jìn)行降解,反應(yīng)時(shí)間控制為40min,分別投加 0g/L、1g/L、2g/L 、4g/L 、8g/L 的 NaCl電解質(zhì),出水靜置30min,考察電解質(zhì)NaCl投加量對(duì)色度和CODCr去除率的影響如圖4所示。

圖4 NaCl投加量對(duì)CODCr和色度去除率的影響

圖4表明:隨著反應(yīng)水樣中NaCl濃度從0g/L增加到2g/L,反應(yīng)液中Cl-濃度隨之增大,單位時(shí)間內(nèi)被電極電解生成的具有強(qiáng)氧化性HClO、ClO-的量增大,氧化斷鍵的染料分子的量也增多,造成CODCr和色度的去除率增大;當(dāng)NaCl濃度進(jìn)一步提高時(shí),CODCr和色度的去除率并沒(méi)有明顯增加趨勢(shì)。由此可判定2g/LNaCl濃度為該種反應(yīng)器降解低濃度染料廢水最佳濃度。

NaCl投加量的對(duì)降解效果的影響主要有以下原因:一方面,在一定濃度范圍內(nèi),NaCl濃度的增大能夠提高電極板上析氯電位。析氯電位隨著Cl-濃度的增加而降低,活性氯的量隨之而增多,使得反應(yīng)器對(duì)染料分子間接氧化能力增強(qiáng);同時(shí)Cl-濃度的增加,使陽(yáng)極上的吸附競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng),副反應(yīng)減弱,因而使脫色率升高。但當(dāng) NaCl濃度較高時(shí),產(chǎn)生的活性氯足夠多,Cl-在陽(yáng)極上的吸附也基本達(dá)到飽和,繼續(xù)增大NaCl濃度,染料的降解情況就不明顯了。另一方面,由于NaCl的存在,電解產(chǎn)生的氯氧化物能夠及時(shí)與電極表面的附著膜層發(fā)生反應(yīng),削弱極板鈍化作用,延長(zhǎng)了反應(yīng)的有效時(shí)間。

3.4 攪拌速率的影響

調(diào)整進(jìn)水NaCl濃度為2g/L,電流強(qiáng)度保持8A恒定電流,調(diào)節(jié)pH=7,攪拌槳攪拌速率分別采用為 0r/min、20r/min、50min/min、80r/min、100r/min,出水靜置30min,對(duì)濃度為 100mg/L的KNR模擬染料廢水進(jìn)行40min降解,定時(shí)取樣,考察攪拌速率CODCr的影響如圖5和圖6所示。

從圖5觀察發(fā)現(xiàn):當(dāng)攪拌速率為0時(shí),色度去除率隨時(shí)間按增加平緩,達(dá)到40min反應(yīng)終點(diǎn)時(shí),色度去除率為61%;攪拌速率為20r/min時(shí),色度去除率較 0r/min稍高,反應(yīng)終點(diǎn)時(shí),色度去除率為86%;攪拌速率為50r/min或80r/min時(shí),色度去除率上升很快,到達(dá) 25min時(shí)為93%左右。反應(yīng)繼續(xù),80r/min的攪拌速率條件下的脫色率能繼續(xù)緩慢上升,50r/min則保持不變;而采用100r/min的高攪拌速率時(shí),反應(yīng)前期,脫色率上升速度快效率高,在20min達(dá)到最高點(diǎn),隨后脫色率出現(xiàn)了急劇下降趨勢(shì),30min后又趨于平緩。

從圖6發(fā)現(xiàn):CODCr的去除率與攪拌速率的關(guān)系變化與色度去除率相類(lèi)似,所不同的是采用80r/min攪拌速率時(shí),CODCr的去除率要比采用50r/min攪拌速率高出5%。

對(duì)于染料濃度、NaCl濃度一定的染料溶液,其溶液中Cl-濃度是相同的;采用固定的電流強(qiáng)度降解時(shí)[3],其電極上氧化還原電位也是相同的,然而采用不同攪拌速率時(shí),出水的色度和CODCr的去除率差別巨大,推測(cè)其原因?yàn)?一方面,采用不同攪拌速率時(shí),電極板表面電解離子的傳質(zhì)速率不同,攪拌速率越快,傳質(zhì)速率越高,由電解平衡原理知電極表面多溶解的鋁鹽越多,產(chǎn)生的具強(qiáng)氧化性的氯氧化合物越多,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸附、氧化手段降解染料分子越多;另一方面,攪拌造成的水力紊流能提高染料分子與強(qiáng)氧化性分子反應(yīng)的幾率,提高小分子染料與Al(OH)3水合膠粒的結(jié)合概率。攪拌速率越快,提升的效果越明顯。但是,當(dāng)電極表面溶解鋁鹽速度達(dá)到飽和以后,過(guò)高的攪拌速率對(duì)提高電解作用效果不再明顯,過(guò)大的水力紊流反而會(huì)把凝聚成團(tuán)的絮體打碎,導(dǎo)致出現(xiàn)處理效果回落的現(xiàn)象。

圖5 攪拌速率對(duì)CODCr去除率的影響

不同攪拌速率所形成的絮體大小、密度存在較大差異,導(dǎo)致出水絮體的沉降性能也存在較大差別,不同的攪拌速率下,反應(yīng)40min,取出水測(cè)定出水濁度,然后靜置10min,再次測(cè)定濁度,按下列公式計(jì)算絮體沉降率,得到攪拌速率與絮體沉降率關(guān)系如圖6所示。

圖6 攪拌速率對(duì)絮體沉降率的影響

從圖6可以看出,采用80r/min時(shí),所得絮體沉降率最好,10min達(dá)到83%;采用過(guò)低攪拌速率0r/min時(shí),所得絮體沉降性能最差;過(guò)高攪拌速率100r/min時(shí),出水的絮體沉降性能也不佳。出現(xiàn)這些情況的原因可能為:過(guò)低的攪拌速率導(dǎo)致絮體碰撞幾率小,力度不夠,形成絮體小而蓬松,不易沉降;過(guò)高的攪拌速率雖增大了絮體碰撞幾率[4],但過(guò)大的水力剪切力會(huì)打碎已有的釩花,使絮體體積小,難沉降;只有適宜的攪拌速率能使絮體易抱團(tuán)、壓實(shí),具有好的沉降性能。綜合考慮處理效果和絮體沉降性能,80r/min攪拌速率為最佳攪拌速率。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述的試驗(yàn)研究,確立了各項(xiàng)因素的最佳條件如下。

(1)降解初始質(zhì)量濃度為100mg/LKN-R的模擬染料廢水時(shí),最佳電流強(qiáng)度I=8A,最佳通電時(shí)間t=40min,最優(yōu)攪拌速率V=80r/min,最佳倒極頻率為60s/次,最佳NaCl濃度為2g/L。

(2)在最佳條件下,CODCr和色度去除率分別達(dá)到68.8%和98%。

(3)采用8A恒電流直流電電凝聚時(shí),CODCr和色度去除率隨反應(yīng)時(shí)間遵循以下二級(jí)模擬反應(yīng)動(dòng)力學(xué),相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)分別為0.9862和0.9531。

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