脈沖電解技術(shù)處理含鉻廢水實(shí)驗(yàn)研究

任陽民， 梁宏， 邱陽， 王世程， 張利

(1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 成都610500；2.四川大學(xué)分析測試中心， 成都610064)

脈沖電解技術(shù)處理含鉻廢水實(shí)驗(yàn)研究

任陽民1， 梁宏1， 邱陽1， 王世程1， 張利2

(1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 成都610500；2.四川大學(xué)分析測試中心， 成都610064)

脈沖電解技術(shù)應(yīng)用于含鉻廢水處理，以六價鉻去除率為考察指標(biāo)，通過篩選極板材料、電源種類、極板組數(shù)強(qiáng)化處理效果，考察了廢水pH值、初始濃度、電流強(qiáng)度、電解時間對六價鉻去除的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用鐵極板材料和脈沖電源時六價鉻去除率明顯優(yōu)于鋁極板材料和直流電源；脈沖電源在保證去除速率的情況下能減少能量消耗；增加極板組數(shù)可顯著強(qiáng)化六價鉻去除率，根據(jù)反應(yīng)器確定最大極板組數(shù)為9；電源最佳脈沖頻率為1 kHz；六價鉻去除率隨電解時間的延長、電流強(qiáng)度的增加而增大，隨廢水pH值增大而顯著降低；脈沖電解技術(shù)更適合低濃度含鉻廢水的處理；最佳實(shí)驗(yàn)條件下六價鉻去除率最高可達(dá)99.4%。

電化學(xué)；含鉻廢水；六價鉻；脈沖電源

引言

作為重要的化工原材料，鉻的應(yīng)用廣泛，如冶金、選礦、電鍍、印刷、電路板、煉焦、緩蝕劑和化工催化劑等行業(yè)都會產(chǎn)生含鉻廢水[1-3]，如未經(jīng)處理直接排入水體，經(jīng)過食物鏈的富集、轉(zhuǎn)移，對生態(tài)環(huán)境和人體健康危害嚴(yán)重。自然界中鉻主要以三價鉻和六價鉻的化合物形式存在[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)三價鉻能在人體肺內(nèi)產(chǎn)生累積；六價鉻有較高毒理性、致癌性和致畸變性，其毒性比三價鉻高100倍[6-7]，需對其進(jìn)行深度處理以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。電化學(xué)法處理含鉻廢水無需加入化學(xué)藥品，處理系統(tǒng)占地面積較小，易于實(shí)現(xiàn)自動化控制[8-9]。本研究以重鉻酸鉀配制的含鉻模擬廢水為處理對象，以六價鉻去除率為指標(biāo)，探索電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用于含鉻廢水處理的可行性，通過篩選極板材料、電源種類、電極板組數(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化處理效果，著重考察了廢水pH值、初始濃度、電解時間、電流強(qiáng)度等因素對處理效果的影響趨勢，并對運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化，探索最佳處理效果。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

電解反應(yīng)器：PVC材料自制21×12×22(cm)。

電極板：鐵板、鋁板。

電源：直流電源、脈沖電源。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

(1)采用重鉻酸鉀配制不同濃度的含鉻廢水備用。

(2)將含鉻廢水加入電解反應(yīng)器中，調(diào)節(jié)電流電壓，電解計時并取樣測試。

(3)采用不同的電源、極板材料、極板組數(shù)分別處理含鉻廢水，篩選出最佳電源種類、極板材料和極板組數(shù)。

(4)分別考察pH值、電流強(qiáng)度、電解時間、初始濃度對含鉻廢水處理效果的影響趨勢。電化學(xué)法處理裝置如圖1所示。

圖1電化學(xué)法處理裝置圖

1.3主要研究指標(biāo)和分析方法

電導(dǎo)率采用DDS-11A型電導(dǎo)率儀檢測，pH值采用PhS-25型酸度計檢測，六價鉻采用二苯碳酰二肼分光光度法(GB 7467-87)檢測。

六價鉻去除率=(電解前六價鉻-電解后六價鉻)/電解前六價鉻×100%

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1極板材料篩選

在電導(dǎo)率2000 ms/cm、電流強(qiáng)度1.0 A、電解時間60 min的實(shí)驗(yàn)條件下，分別采用鐵板和鋁板作為極板材料電解含鉻廢水，得到不同極板材料對六價鉻去除率的影響如圖2所示。

圖2極板材料對處理效果的影響

由圖2中可知：鐵極板明顯優(yōu)于鋁極板。因?yàn)橐澡F為極板材料時，電解含鉻廢水時發(fā)生如下反應(yīng)[10]：

Fe-2e-→Fe2+

電解過程中生成的的Fe2+具有還原作用：

Fe2+的間接還原作用進(jìn)一步強(qiáng)化了Cr6+還原為Cr3+的過程，

Cr3++3OH-→Cr(OH)3↓

Fe3++3OH-→Fe(OH)3↓

因此采用鐵極板時Cr6+去除率顯著優(yōu)于鋁極板，后續(xù)研究均采用鐵極板。

2.2電源種類篩選

在電導(dǎo)率2000 ms/cm、電流強(qiáng)度1.0 A、電解時間60 min的實(shí)驗(yàn)條件下，分別采用直流電源和脈沖電源對含鉻廢水進(jìn)行電解處理，定時取樣檢測六價鉻，得到不同種類電源對含鉻廢水處理效果的影響趨勢如圖3所示。

圖3電源種類對六價鉻去除率的影響

由圖3可知，用脈沖電源電解時六價鉻去除率顯著高于直流電源，因脈沖電源存在放間歇，電解能耗顯著低于直流電源[11-12]，因此選用脈沖電源作為后續(xù)電解的電源。

2.3電極板組數(shù)確定

為了考察電極板組數(shù)對廢水處理效果的影響，在電源頻率1 kHz，占空比90%，硫酸鈉投加量0.8 g/L，pH值3，電解時間30 min，電流強(qiáng)度1.0 A的實(shí)驗(yàn)條件下，采用電極組數(shù)分別為1、3、5、9進(jìn)行含鉻廢水電解，極板組數(shù)對六價鉻去除率的影響趨勢如圖4所示。

圖4電極組數(shù)對處理效果的影響

由圖4可知，隨著電極板組數(shù)的增加，六價鉻去除率顯著增大；當(dāng)電極板數(shù)為9時，六價鉻去除率達(dá)到最大為96.35%，增加電極板組數(shù)相應(yīng)增大了有效電解面積，同時極板間距減小使達(dá)到相同電流時所需電壓更小。因此改變極板組數(shù)不僅能影響處理效果，還能影響電能消耗[13-14]。實(shí)驗(yàn)確定自制反應(yīng)器電極板組數(shù)為9。實(shí)際工程中極板間距過小時易造成堵塞，建議結(jié)合反應(yīng)器體積、能耗和現(xiàn)場操作情況確定極板組數(shù)。

2.4電源脈沖頻率對處理效果的影響

為了考察脈沖頻率對處理效果的影響，在電極組數(shù)9，電解時間30 min，電流強(qiáng)度1.0 A的實(shí)驗(yàn)條件下，調(diào)節(jié)脈沖電源的頻率分別為0.5 kHz、1 kHz、2 kHz、3 kHz電解含鉻模擬廢水，得到六價鉻去除率隨脈沖頻率的變化趨勢如圖5所示。

圖5脈沖頻率對處理效果的影響

由圖5可知，六價鉻去除率隨著電源脈沖頻率的增大而增加，1 kHz時達(dá)到最大為96.63%，繼續(xù)增大脈沖頻率，六價鉻去除率反而降低。因?yàn)槊}沖頻率過低時，電流持續(xù)時間過短，電解反應(yīng)時間過少；脈沖頻率過高，電流持續(xù)時間長，易產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，不利于污染物的傳質(zhì)而不利于電解反應(yīng)。因此含鉻廢水電解的最佳脈沖頻率為1 kHz。

2.5pH值對處理效果的影響

為了考察不同pH值對含鉻廢水處理效果的影響，在電源頻率1 kHz，占空比90%，硫酸鈉投加量0.8 g/L，電解時間30 min，電流強(qiáng)度1.0 A的實(shí)驗(yàn)條件下，改變模擬廢水的pH值分別為3、5、7、9、10，得到pH值對含鉻廢水的影響趨勢如圖6所示。

圖6pH值對處理效果的影響

由圖6可知，六價鉻去除率隨著初始pH值的增大而明顯降低，初始pH值為3時六價鉻去除率最高可達(dá)50.63%，在酸性條件中六價鉻離子能以沉淀，共沉淀、特異性吸附去除[15]。因此電解含鉻廢水的最佳pH值為3。

2.6電解時間對處理效果的影響

為了考察電解時間對六價鉻去除率的影響趨勢，在電源頻率1 kHz，占空比90%，初始pH值3，硫酸鈉投加量0.8 g/L，電極板組數(shù)為9，電流強(qiáng)度1.0 A的實(shí)驗(yàn)條件下，電解時間分別為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min進(jìn)行電解，得到六價鉻去除率隨電解時間的變化趨勢如圖7所示。

圖7電解時間對處理效果的影響

由圖7可知，六價鉻去除率隨電解時間的延長而顯著增大，30 min時最大達(dá)96.35%，繼續(xù)延長電解時間，六價鉻去除率趨于穩(wěn)定。電解時越長，能耗和鐵板消耗量越多，污泥量增大，且電解時間過長，反應(yīng)池內(nèi)溫度過高，對電解設(shè)備材料要求更高，故綜合考慮選取電解時間為30 min。

2.7電流強(qiáng)度對廢水處理效果的影響

為了考察電流強(qiáng)度對處理效果的影響，在初始pH值3，電源頻率1 kHz，占空比90%，硫酸鈉投加量0.8 g/L，電解時間30 min，電極板組數(shù)9的實(shí)驗(yàn)條件下，采用電流強(qiáng)度分別為0.7 A、1.0 A、1.3 A、1.7 A、2.0 A電解含鉻廢水，得到電流強(qiáng)度對六價鉻去除率的影響趨勢如圖8所示。

圖8電流強(qiáng)度對處理效果的影響

由圖8可知，六價鉻去除率隨著電流強(qiáng)度增大而增大。電解過程中增大電流會加快反應(yīng)速率，同時也會使電解副反應(yīng)能耗和電解水溫也隨之增高[16]，綜合考慮選取電流強(qiáng)度為2.0 A。

2.8初始濃度對處理效果的影響

為了考察含鉻廢水的初始濃度對處理效果的影響，在電源頻率1 kHz、占空比90%，硫酸鈉投加量0.8 g/L，初始pH=3，電極板組數(shù)9，電解30 min，電流強(qiáng)度2.0 A的實(shí)驗(yàn)條件下，采用初始濃度分別為50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L電解含鉻廢水，得到初始濃度對處理效果的影響趨勢如圖9所示。

圖9初始濃度對處理效果的影響

由圖9可知，六價鉻去除率隨著初始濃度的增大而降低，初始濃度300 mg/L時六價鉻去除率僅為36.57%，六價鉻濃度100 mg/L時六價鉻去除率最高為99.4%，處理后可達(dá)國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)，電化學(xué)技術(shù)適宜處理初始濃度≤100 mg/L的含鉻廢水。

4結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論，可得到以下結(jié)論：

(1)鐵極板材料、脈沖電源電解含鉻廢水電處理效果明顯優(yōu)于鋁極板材料、直流電源；增加極板組數(shù)可顯著強(qiáng)化六價鉻去除率，確定自制反應(yīng)器極板組數(shù)為9。

(2)六價鉻去除率隨廢水pH值、初始濃度的增大而逐漸降低，隨電解時間的延長、電流強(qiáng)度的增加而顯著升高，電源脈沖頻率最佳為1 kHz。最佳實(shí)驗(yàn)條件為：電源脈沖頻率1 kHz，pH值3，電解時間30 min，電流強(qiáng)度為2.0 A，初始濃度100 mg/L，最佳實(shí)驗(yàn)條件下六價鉻去除率最高可達(dá)99.4%。建議電化學(xué)技術(shù)適宜處理初始濃度≤100 mg/L的含鉻廢水。

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Study on Treatment of Chromium-containing Waste Water by Pulse-electrolysis Technique

RENYangmin1,LIANGHong1,QIUYang1,WANGShicheng,ZHANGLi2

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2.Analytical & Testing Center, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

The electrochemical technique was used to treat chromate waste water by the analysis of removal rate of hexavalent chrome. In order to strengthen treatment, through screening electrode materials, kinds of power, and the amount of electrode, the influence of pH, initial concentrate of chromate, current intensity, electrolysis time were investigated. The result shows that, the removal of hexavalent chrome was higher when using iron plate electrodes and pulse power than using aluminum plate electrodes and direct current(DC) power. Energy consumption could be reduced by the pulse power supply with the same removal rate. The removal rate could be significantly strengthened by the increment of amount of electrodes. According to the electrolysis reactor, the most amount of plate electrodes was 9. The optimum pulse power frequency was 1kHz. Pulse power technique was more suitable for low concentration of chromium-containing waste water treatment. Under the optimum conditions, the removal rate of hexavalent chrome could be at 99.4%.

electrochemistry; chromium waste water; hexavalent chromium; pulse power

2017-02-21

國家油氣開發(fā)科技重大專項(xiàng)(2016ZX05040003-004-002)；四川省科技支撐計劃項(xiàng)目(2015GZ0177)

任陽民(1992-)，男，四川南充人，碩士生，主要從事水污染治理方面的研究，(E-mail)842304877@qq.com; 梁 宏(1970-)，女，重慶云陽人，副教授，主要從事水污染治理方面的研究，(E-mail)lianghong70@163.com

1673-1549(2017)03-0001-05

10.11863/j.suse.2017.03.01

X741

A