脈沖電解技術(shù)處理電鍍廢水的研究

莫晨劍 阮琥 陳彬

（臺(tái)州市污染防治工程技術(shù)中心 浙江臺(tái)州 3 18 000）

1 引言

電鍍廢水主要來源于電鍍件清洗水、鍍液過濾、廢鍍液以及電鍍車間的“跑、冒、滴、漏”等。電鍍廢水中污染物種類多、毒性大、危害嚴(yán)重、含有重金屬離子或氰化物等，有些屬于致癌、致畸或致突變的劇毒物質(zhì)[1]，這些有害物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類社會(huì)產(chǎn)生廣泛而嚴(yán)重的危害。含氰廢水毒性很大，微量就能致人死亡；重金屬離子進(jìn)入水體后可以被生物體吸附，一旦進(jìn)入食物鏈，將在人體內(nèi)富集而使人體中毒，甚至導(dǎo)致死亡[2]。因此，電鍍廢水的治理是一個(gè)不可忽視的問題。在電鍍廢水處理過程中，實(shí)行污水回用和貴重金屬回收，不僅能節(jié)約水資源，回收重金屬，還能有效地解決重金屬對(duì)水體的污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[3]。

脈沖電源以其省電、高效的優(yōu)點(diǎn),在多個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)[4]。但目前，國內(nèi)外對(duì)脈沖電解處理廢水方面所涉及的物化參數(shù)研究很少，將脈沖電解處理廢水應(yīng)用于實(shí)踐還需要進(jìn)一步研究。有鑒于此，本文采用配備圓筒形不銹鋼陰極和圓柱形石墨陽極的電解設(shè)備，以電能消耗量、除氰率和銅、鎳回收率為指標(biāo)，考察電解質(zhì)的投加量及電解電源對(duì)該電解設(shè)備處理含氰含銅鎳電鍍廢水的效果。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)廢液

實(shí)驗(yàn)用水取自于臨海市某電鍍廠。

表1 實(shí)驗(yàn)廢水的成分及含量

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

脈沖電解反應(yīng)器（自制）；C a r r y 50紫外型可見分光光度計(jì)；T A S-990火焰原子吸收光譜儀；G G M F-100/12-A逆變脈沖電源；B T 01-100型蠕動(dòng)泵；C-3 1A型電流表；C R-3 0增氧泵；F A 2004電子天平；電子調(diào)溫電爐；D E L T A 3 20p H計(jì)；D K S-12型不銹鋼新型電熱恒溫水浴鍋。

2.3 實(shí)驗(yàn)試劑

磷酸；氫氧化鈉；乙二胺四乙酸二鈉；乙酸鉛[P b(C2H3O2)2·3 H2O]；丙酮；鉻酸鉀；硝酸銀；磷酸二氫鉀；磷酸氫二鈉；氯胺T(C 7 H 7 C l N N a O2S·3 H2O)；異煙酸；1-氨基-3-甲基-5-吡唑啉酮；N，N-二甲基甲酰胺；氰化鉀；硝酸。

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置

脈沖電解工藝裝置及流程如圖1所示，電解工藝裝置由電解反應(yīng)器、脈沖電源、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)組成。反應(yīng)器為聚氯乙烯制成的圓柱體槽，其結(jié)構(gòu)尺寸為Φ150m m×13 0m m，有效容積為1.5L，槽內(nèi)固定一個(gè)圓柱體石墨陽極(Φ20×18 0m m)和一個(gè)圓筒形不銹鋼陰極(Φ150m m×13 0m m)，并通過循環(huán)泵使槽內(nèi)的水形成循環(huán)，同時(shí)用增氧泵進(jìn)行曝氣。

圖1 脈沖電解工藝流程示意圖

2.5 分析測(cè)試方法

用異煙酸—吡唑啉酮比色法（G B 7 48 6-8 7）檢測(cè)氰化物[5]，銅離子和鎳離子含量的檢測(cè)采用原子吸收分光光度法。脈沖電解氧化氰和還原銅鎳的性能分別用除氰率和銅鎳回收率表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 電解時(shí)間對(duì)電鍍廢水處理效果的影響

不同電解時(shí)間下的處理效果如圖2所示。

從圖2中可看出，電鍍廢水的除氰率和銅鎳回收率隨著電解時(shí)間的增加而明顯提高。在電解2h內(nèi)，除氰率和銅鎳回收率都迅速提高，在電解2h時(shí)，除氰率可達(dá)到95.9%，銅鎳回收率分別達(dá)到8 2.3%、65.2%。之后，除氰率上升平緩，基本達(dá)到穩(wěn)定，而銅鎳回收率仍舊有上升空間，但上升緩慢，在3 h時(shí)分別達(dá)到96.8%、8 7.7%和8 1.2%。這主要是由于：一方面，隨著電解的進(jìn)行，廢水溫度不斷增高，可導(dǎo)致電流的紊亂而影響電解效果；另一方面，電解時(shí)間的延長，使陽極面逐漸形成一層鈍化膜而影響處理效果。故在本實(shí)驗(yàn)操作條件下，對(duì)于氰化物來說，最佳電解時(shí)間為2h，而對(duì)于銅和鎳來說，最佳電解時(shí)間為3 h。

圖2 電解時(shí)間對(duì)氰化物及銅鎳去除率的影響

3.2 電壓對(duì)電鍍廢水處理效果的影響

不同的電解電壓條件下，電解2h，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓對(duì)氰化物及銅鎳去除率的影響

由圖3可知，當(dāng)電壓從2V增加到5.5V的過程中，氰化物的去除率和銅鎳的回收率都在逐漸增大，5.5V時(shí)達(dá)到最大，分別 為 95.9%、8 2.3%和65.2%。這是由于電壓越大，陽極電極電位越高，陽極表面的氧化作用越強(qiáng)，反應(yīng)速率常數(shù)越大。但是過大的電壓容易使陽極鈍化，這樣，雖然電壓加大了，但效果并不提高。故實(shí)驗(yàn)選取的最佳電壓為5.5V。

3.3 頻率對(duì)電鍍廢水處理效果的影響

頻率是脈沖電源的重要參數(shù)之一，對(duì)電鍍廢水的處理有很大的影響。不同頻率下的處理效果如圖4所示。

圖4 脈沖頻率對(duì)氰化物及銅鎳去除率的影響

由圖4可知，脈沖頻率從3 00H z增加到900H z時(shí)，除氰率隨著脈沖頻率的增加而增大，當(dāng)脈沖頻率為900H z時(shí)，除氰率出現(xiàn)最高峰，達(dá)到了95.9%。當(dāng)頻率從900H z上升到1500H z時(shí)，除氰率又有所下降。另外，銅鎳的回收率隨著脈沖頻率變化的趨勢(shì)與除氰率相似，先增后減，當(dāng)脈沖頻率為900H z時(shí)，銅鎳回收率最大，分別達(dá)到8 2.3%和65.2%。這是由于如果頻率過小,通電時(shí)間t o n和斷開時(shí)間t o f f均較大。通電時(shí)間t o n較大會(huì)失去脈沖消除鈍化的效果,而t o f f較大則可能會(huì)增加不必要的處理時(shí)間,即在t o f f結(jié)束之前溶液中的銅離子、鎳離子濃度已達(dá)到均勻狀態(tài),靜置時(shí)間的增加并沒有取到應(yīng)有的作用[6]。而頻率過大，輸出電流接近直流電，盡管整個(gè)電流是脈沖的,但卻顯不出脈沖效果，也就失去脈沖消除鈍化的效果。因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)考慮脈沖頻率適宜值，故本實(shí)驗(yàn)選取最佳頻率為900H z。

3.4 占空比對(duì)電鍍廢水處理效果的影響

占空比為在振蕩頻率一定時(shí),脈沖導(dǎo)通時(shí)間(在此期間內(nèi)進(jìn)行電解)與整個(gè)脈沖周期的比例，是脈沖電源的另一重要參數(shù)。脈沖占空比對(duì)廢水的處理有著顯著的影響，適宜的占空比易于發(fā)揮脈沖的作用。不同占空比下，氰化物的去除率和銅鎳的回收率如圖5所示。

圖5 脈沖占空比對(duì)氰化物及銅鎳去除率的影響

由圖5可知，隨著占空比的增加，除氰率及銅鎳的回收率不斷增大，占空比為50%時(shí)，達(dá)到最大，分別為95.9%、8 2.3%、65.2%。而當(dāng)占空比大于50%后，除氰率及銅鎳的回收率隨著占空比的增加又有所下降。這是由于占空比越小,脈沖間隔的時(shí)間越長,金屬離子有充分的時(shí)間擴(kuò)散到陰極附近從而減弱濃差極化,這能使金屬表面沉積致密、光滑。但占空比太大,濃差極化不能消除,這會(huì)使得金屬沉積表面變粗糙。占空比太小,相應(yīng)的峰電流越大,產(chǎn)生的過電位越大,此過電位大于金屬結(jié)晶的過電位時(shí)會(huì)導(dǎo)致陰極的極化,使金屬沉積表面狀況反而變差。因此，在本實(shí)驗(yàn)操作條件下，50%是最優(yōu)的脈沖占空比。

3.5 電解質(zhì)投加量對(duì)電鍍廢水處理效果的影響

水中的強(qiáng)電解質(zhì)含量多少，直接影響到廢水的導(dǎo)電能力、電壓和電能消耗。氰化含銅含鎳廢液中還有其他的鹽類和雜質(zhì)，投加N a C l量理論計(jì)算復(fù)雜且不易做到準(zhǔn)確，一般通過試驗(yàn)確定。在不同的電解質(zhì)投加量條件下，電解2h，結(jié)果如圖6所示。

圖6 NaCl投加量對(duì)氰化物及銅鎳去除率的影響

由圖6可知，在N a C l投加量增加的過程中，除氰率和銅鎳回收率都在不斷增大，當(dāng)達(dá)到16g/L時(shí)，去除率均達(dá)到最大，分別為95.6%，8 1.5%和60.7%。之后，去除率變化不大，大致趨于穩(wěn)定。這主要是由于投加N a C l能消除電解過程中陽極鈍化的現(xiàn)象，提高水的電導(dǎo)率，增加其導(dǎo)電能力，也能減少電能的消耗，所以在廢水中加入適量的N a C l對(duì)電解過程是有利的。但N a C l的投加量要適當(dāng),若投加量過大，電導(dǎo)率就會(huì)過大，將導(dǎo)致電流的泄漏率增加，降低電流的利用。此外投加N a C l還會(huì)使水中的氯離子增多，影響出水水質(zhì)，不易于水的回收。故本實(shí)驗(yàn)選取最佳條件為每升廢水中投加N a C l固體16g。

3.6 最佳條件下的實(shí)驗(yàn)

取1.5L電鍍廢水于電解反應(yīng)器中，在循環(huán)流速100m L/m i n，控制曝氣速率1.0L/m i n的條件下，加入N a C l固體16g/L，攪拌均勻，調(diào)節(jié)脈沖電源頻率900H z，占空比為50%，電壓為5.5V，電解2h后，測(cè)定氰化物濃度，電解3 h后，測(cè)定剩余銅鎳的濃度，結(jié)果見表2。

表2 最佳條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

4.1 在所設(shè)計(jì)的脈沖電解裝置中，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)去除氰化物和回收銅鎳的目的，經(jīng)過電解2h，除氰率可達(dá)到95.7%，電解3.0h后，銅、鎳回收率也分別達(dá)到8 7.5%和8 1.1%。

4.2 在脈沖電源電解電鍍廢水處過程中，電解質(zhì)的最佳投加量為16g/L，脈沖電源的優(yōu)化參數(shù)為：脈沖電壓5.5V、脈沖頻率900H z，脈沖占空比50%。

4.3 最佳條件下的氰根離子去除率達(dá)到95.7%，銅離子的去除率達(dá)到8 7.5%，鎳離子的去除率達(dá)到8 1.1%。

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