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(jī)械裝備系,遼寧沈陽 110045)

高壓脈沖電絮凝處理含六價(jià)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(jī)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(duì)含六價(jià)鉻廢水進(jìn)行處理,研究了電流、通電時(shí)間、脈沖頻率和六價(jià)鉻的質(zhì)量濃度對(duì)處理效果和能耗的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高壓脈沖電絮凝法對(duì)廢水中的六價(jià)鉻離子具有很高的去除率,最高可達(dá)100%.六價(jià)鉻的去除率隨著電流、通電時(shí)間、脈沖頻率的增加而增加.該方法具有能耗低的優(yōu)點(diǎn),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(gè)重要污染源,其重金屬?gòu)U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(jià)鉻最為突出.人們?cè)谥饾u認(rèn)識(shí)到重金屬?gòu)U水對(duì)環(huán)境特別是對(duì)人類自身產(chǎn)生的危害后,制定了嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn),并采取了多種措施治理重金屬?gòu)U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(duì)自動(dòng)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(diǎn).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(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中有機(jī)或者無機(jī)物的氧化還原反應(yīng),進(jìn)而凝聚、浮除,將污染物從水體中分離.該技術(shù)運(yùn)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(jiǎn)單,處理效率高,節(jié)省電能,具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值.

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

1 實(shí)驗(yàn)部分

采用自制的高壓脈沖電源,取1.5 L的含六價(jià)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(shí)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(cè)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(cè)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(jì)測(cè)定廢水的p H值;用CJ/T 71—1999城市污水六價(jià)鉻的測(cè)定二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定電鍍廢水中的六價(jià)鉻.

2 結(jié)果與討論

2.1 電流對(duì)六價(jià)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(shí)各電流對(duì)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(shí)間(8.0 min)相同的條件下,電流對(duì)六價(jià)鉻去除率的影響如圖1所示.

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

圖1 六價(jià)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(jì)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(shí)間(h),Q——處理水量(t).

圖2為電流對(duì)由公式(1)計(jì)算得到的能耗的影響.在通電時(shí)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(duì)于一定質(zhì)量濃度的六價(jià)鉻溶液,使六價(jià)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(shí)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(duì)六價(jià)鉻去除率和能耗的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 不同電流對(duì)六價(jià)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(shí),100%去除所需通電時(shí)間由8.0 min降至4.4 min,分析主要原因可能是,在單位時(shí)間內(nèi),電流越大,極板上溶下的鐵離子就越多,Fe2+對(duì)六價(jià)鉻的還原能力就越強(qiáng),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(jì)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(shí)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(shì)也會(huì)越大,電能消耗隨之變大,電極的極化和鈍化現(xiàn)象也會(huì)加劇,從而導(dǎo)致達(dá)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(shí)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(jìn)行脈沖電絮凝.

2.2 通電時(shí)間對(duì)六價(jià)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(shí),考察了通電時(shí)間對(duì)六價(jià)鉻去除率的影響,結(jié)果如圖3所示.隨通電時(shí)間的增加,六價(jià)鉻的去除率增大,對(duì)于六價(jià)鉻質(zhì)量濃度為30 mg/L的溶液,通電8.0 min,其去除率可達(dá)到99.8%,反應(yīng)后廢水中六價(jià)鉻的質(zhì)量濃度為0.06 mg/L.

對(duì)處理后廢水的p H值測(cè)量發(fā)現(xiàn),出水p H值除處理時(shí)間為3.0 min時(shí)為5.99,大于3.0 min處理時(shí)間的出水p H值均為6～9,處理時(shí)間為8.0 m in時(shí)出水p H值為7.40,直接達(dá)到國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)p H值的要求,無需另投加化學(xué)藥劑.

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

2.3 電源頻率對(duì)六價(jià)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(shí)間(8.0 min)和處理水量相同的條件下,槽電壓、能耗及六價(jià)鉻的去除率隨脈沖頻率的變化.

表2 槽電壓、能耗及六價(jià)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(jià)鉻的去除率略有增加.脈沖頻率對(duì)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(shí)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(jìn)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(jià)鉻的初始質(zhì)量濃度直接影響了使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需要的通電時(shí)間.圖4給出了六價(jià)鉻質(zhì)量濃度分別為30,40和50 mg/L時(shí),六價(jià)鉻去除率與通電時(shí)間的關(guān)系.

圖4 六價(jià)鉻不同初始質(zhì)量濃度時(shí),去除率與反應(yīng)時(shí)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(jià)鉻質(zhì)量濃度為40 mg/L時(shí),在處理時(shí)間為12.0 min時(shí)其去除率可以達(dá)到99.9%以上;六價(jià)鉻質(zhì)量濃度為50 m g/L時(shí),需要16.0 m in其去除率才能達(dá)到99.9%以上.可見六價(jià)鉻初始質(zhì)量濃度越高,需要的處理時(shí)間就越長(zhǎng).

中小型電鍍廠或電鍍車間電鍍含鉻廢水中,六價(jià)鉻離子質(zhì)量濃度在10～20 m g/L,只有不到5%的時(shí)間超過40 mg/L[9].因此,在本實(shí)驗(yàn)所得到的最優(yōu)化參數(shù)下,8.0 min的處理時(shí)間內(nèi),可以保證六價(jià)鉻離子去除率達(dá)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?yàn)槠溥\(yùn)行費(fèi)用較高、能耗較大.下面根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?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(shí),能耗是由槽電壓U、電流I及反應(yīng)時(shí)間t決定的.因此,在保證處理效果的同時(shí),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(shí)間.

本實(shí)驗(yàn)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(shí)間等.適當(dāng)?shù)卣{(diào)高脈沖頻率可以降低槽電壓,達(dá)到降低能耗的目的.在實(shí)際廢水的處理過程中,應(yīng)盡量找出使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)所必要的通電時(shí)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(jià)鉻,當(dāng)處理水量為1.5 L、六價(jià)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(shí)間8.0 min左右時(shí),六價(jià)鉻的去除率可以達(dá)到近100%,出水p H值達(dá)到7.4左右,能耗為1～2 kW h/t.對(duì)于一定質(zhì)量濃度的六價(jià)鉻溶液,電流影響了達(dá)到99.9%去除率的反應(yīng)通電時(shí)間、能耗和能量效率,在反應(yīng)時(shí)間一定的情況下,六價(jià)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(shí)間,但同時(shí)大大增加了能耗、降低了能量效率.六價(jià)鉻的去除率隨反應(yīng)時(shí)間的增加而逐漸增加,出水p H值也逐漸增大.頻率對(duì)六價(jià)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(jià)鉻初始質(zhì)量濃度的增加,六價(jià)鉻去除率降低,且達(dá)到99.9%以上去除率所需的時(shí)間增長(zhǎng).綜上,該方法在處理含六價(jià)鉻廢水方面具有很大優(yōu)勢(shì),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(shí)間,減少能耗,具有廣闊的應(yīng)用前景.

[1]胡翔,陳建峰,李春喜.電鍍廢水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].新技術(shù)新工藝,2008,12:5-10.

[2]孫建民,于麗青,孫漢文.重金屬?gòu)U水處理技術(shù)進(jìn)展[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,24(4):438-443.

[3]KURN IAWAN T A,CHAN G Y,LO W,et al.Physico-chemical treatment techniques fo r wastew ater laden w ith heavy metals[J].Chem ical Engineering Journal,2006,118:83-98.

[4]NAMASIVA YAM C,SURESHKUMAR M V.Removal of chromium(Ⅵ)from water using surfactantmodified coconut coir pith as a bioso rbent[J].Bioresource Technology,2008,99(7):2218-2225.

[5]張仲儀.電鍍集中區(qū)電鍍廢水的處理[J].電鍍與涂飾,2007,26(3):20-22.

[6]劉輝,吳曉翔,施漢昌,等.高壓脈沖電絮凝與硅藻精土組合工藝處理電鍍廢水[J].中國(guó)給水排水,2008,24(2):58-60.

[7]余志,范躍華.水處理電絮凝技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].浙江化工,2006,37(3):25-27.

[8]闞小華,趙濟(jì)強(qiáng).電鍍綜合廢水處理新技術(shù)——高壓脈沖電凝系統(tǒng)[J].污染防治技術(shù),2002,15(4):40-42.

[9]常青.FeS處理電鍍重金屬?gòu)U水的研究[D].西安:西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,2006.

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(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(200919);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10875019;41005079);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)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)