孫穎

（中國環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島066004）

二維與三維電解法處理含銅廢水的試驗(yàn)研究

孫穎

（中國環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島066004）

以含銅廢水為處理對象，考察了二維電解法的電解電壓、電解時(shí)間、pH值、極間距對銅去除率的影響。在此基礎(chǔ)上為提高處理效率，兩極間填充活性炭和玻璃珠形成三維電解，確定了三維電解的最佳運(yùn)行條件是極間距4cm，pH值3～4，電解電壓22 V，電解135min，銅離子的去除率為80.6%。

二維電解；三維電解；含銅廢水

金屬加工、電鍍、線路板生產(chǎn)和礦山開采等工業(yè)生產(chǎn)過程會(huì)排放大量的含銅廢水。銅離子雖然本身就存在于天然水中，也是生物體內(nèi)必不可缺的元素，但過量的銅，尤其是游離態(tài)銅離子，會(huì)對生物產(chǎn)生影響和危害。體內(nèi)銅超標(biāo)后易對人的臟器造成負(fù)擔(dān)，特別是肝和膽，造成新陳代謝紊亂、肝硬化、肝腹水等疾病，甚至威脅生命[1]。因此在這類生產(chǎn)企業(yè)廢水處理中如何高效去除和回收銅離子是一個(gè)關(guān)鍵課題。

電解法因其反應(yīng)條件溫和、操作簡單、設(shè)備易得、可回收金屬銅、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在眾多處理技術(shù)中具有優(yōu)勢。但是對于銅濃度不是很高的廢水則存在處理效率低、能耗高的弊端[2]。由Backhurst等提出的三維電極法，具有降解徹底、效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此有必要實(shí)際對比二維與三維電解法處理含銅廢水的效果及影響因素，為生產(chǎn)運(yùn)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置與儀器

本試驗(yàn)裝置采用PVC塑料制作（70 cm×50 cm×60 cm），處理水量140 L，陽極為兩塊35 cm×45 cm的涂鈦極板，陰極為2塊20 cm×53 cm的銅板。電解電源由HY1711-5S雙路可跟蹤直流穩(wěn)壓電源提供，721可見分光光度計(jì)測定分析銅濃度。

1.2 分析方法

銅離子檢測采用2，9-二甲基-1，10-菲啰啉分光光度法，測定原理為將試樣中的二價(jià)銅離子用鹽酸羥銨還原為亞銅離子，在中性或微酸性介質(zhì)中，亞銅離子與新亞銅靈反應(yīng)，生成摩爾比為1∶2的黃色絡(luò)合物，此絡(luò)合物在457 nm處具有最大吸收波長，使用標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行定量測定。試驗(yàn)用水采用線路板生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際含銅廢水。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 二維電解試驗(yàn)

二維電解試驗(yàn)綜合考慮了電解電壓、電解時(shí)間、極間距、pH值4個(gè)影響因素，分別進(jìn)行銅去除率的考察。

2.1.1 電解電壓對銅去除的影響

試驗(yàn)廢水銅濃度為376.3 mg/L，電解時(shí)間135 min，pH值3～4，極間距4 cm，結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電壓在25 V時(shí)銅去除率最高。

圖1 電壓對銅去除率的影響

2.1.2 電解時(shí)間對銅去除的影響

試驗(yàn)廢水銅濃度為390.8 mg/L，電解電壓25 V，pH值3～4，極間距4 cm，結(jié)果見圖2。由圖可以發(fā)現(xiàn)電解時(shí)間越長，銅去除效果越好，電解180 min后，曲線趨于平緩。考慮處理的電費(fèi)成本，此條件下最佳的電解時(shí)間為180 min。

2.1.3 pH值對銅去除的影響

試驗(yàn)用水中銅濃度為432.3 mg/L，電解180 min，電解電壓25 V，極間距4 cm，分別通過投加硫酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表分析出，雖然pH值越大銅去除率越高，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此時(shí)廢水中產(chǎn)生大量絮體，此種條件下銅的去除主要是由于化學(xué)沉淀，而不是電解，因此銅去除率雖然顯著提高，但不利于銅的回收。實(shí)際含銅廢水若考慮回收而采用電解法時(shí)，一般無需調(diào)節(jié)pH值。

圖2 電解時(shí)間對銅去除率的影響

表1 pH值對銅去除的影響

2.1.4 極間距對銅去除的影響

試驗(yàn)廢水銅濃度為390.8 mg/L，電解時(shí)間180 min，電解電壓25 V，原水pH值3～4，考察極間距分別為4 cm和6 cm時(shí)銅的去除效果，結(jié)果見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知極間距越小，所需的電解電壓越小，銅去除效果越高。

表2 極間距對銅去除的影響

2.2 三維電解試驗(yàn)

通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)中、低濃度含銅廢水若采用二維電解法處理，銅去除率極低，當(dāng)最佳條件pH值3～4，電壓25 V，極間距4 cm，電解180 min時(shí)，銅去除率僅為25%左右。為提高處理效率和回收銅量，試驗(yàn)決定采用三維電極法。即在陰極裝填絕緣性粒子與導(dǎo)電粒子組成的粒狀電極材料。通電后當(dāng)主電極與導(dǎo)電顆粒相接觸時(shí)，粒狀電極材料表面帶電，形成無數(shù)個(gè)微小的粒子電極，在工作電極表面一端可以發(fā)生陰極反應(yīng)，另一端發(fā)生陽極反應(yīng)，如此大大提高了陰極還原吸附銅的表面積，提高了電解效率[4]。

試驗(yàn)中以2∶1比例將活性炭（直徑3 mm，高5～10 mm）和直徑2～3 mm的玻璃珠堆積在兩極間，填充高度40 cm，填充體積32320 cm3。為消除活性炭吸附對三維電極電解銅離子去除率的影響，只考察電解去除銅的效果和最佳運(yùn)行參數(shù)，試驗(yàn)前先用原水對活性炭反復(fù)浸泡，并多次換水，測定浸泡前、后水中的銅離子濃度，直至兩者相同。

本試驗(yàn)原水銅濃度165.4 mg/L，考慮實(shí)際處理的經(jīng)濟(jì)因素，未調(diào)節(jié)pH值，仍為3～4，為降低槽電壓采用盡可能小的極間距4 cm，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同時(shí)間、不同電解電壓對銅去除的影響

曲線顯示三維電解電壓越高，處理效果越好，但耗電量越大，并且在電壓22 V后，增加電壓并未對銅去除效率有顯著提升。分析認(rèn)為，此時(shí)副反應(yīng)加劇，H+在陰極得電子而產(chǎn)生氣體，消耗了電子和能量。電解效果和耗電量也同電解時(shí)間有很大關(guān)系。隨著電解時(shí)間的延長，電解對銅離子的去除率逐漸增大。但經(jīng)過135 min后變化增速逐漸趨緩平穩(wěn)，此時(shí)銅離子去除率為80.6%。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)同二維電解相比，三維電解可以同時(shí)降低電解電壓、電解時(shí)間，并提高銅離子去除效率。

3 結(jié)論

二維、三維電解對比試驗(yàn)結(jié)果表明，三維電極法處理含銅廢水效果明顯優(yōu)于二維電極法，添加活性炭和玻璃珠后，電解效率顯著提升。考慮實(shí)際廢水處理的工藝和條件，不調(diào)節(jié)pH值使其為3～4，極間距4 cm，電解電壓22 V，電解135 min，此時(shí)銅離子去除率為80.6%。若想進(jìn)一步回收銅，可采用壓濾-焚燒-酸化工藝，對三維電解飽和后廢炭進(jìn)行壓濾，將濾液采用氫氧化物和硫化物共沉處理或與其它污水混合后進(jìn)入生化處理工藝。濾渣進(jìn)行焚燒、提純、酸化后得到CuCl2成品。

[1]胡鈺倩，胡立嵩，余訓(xùn)民.物理化學(xué)法處理含銅廢水及銅二次資源化研究進(jìn)展[J].廣西科學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，22（3）：223-227.

[2]龐娟娟.電解法處理采油廢水的研究[J].電力環(huán)境保護(hù)，2008，24（1）：57-60.

[3]李福勤，趙美英，陳波，等.三維電極去除污水廠二級(jí)出水中CODMn的研究[J].中國給水排水，2009，25（9）：85-89.

[4]薛松宇.三維電極反應(yīng)器處理染料廢水的研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.

Experimental Study on Cu Wastewater Treatment by Two-Dimensional and Three Dimensional Electrode Process

Sun Ying
（Environmental Management College of China，Qinhuangdao Hebei 066004，China）

Taking Cu wastewater as the object of study,two-dimensional electrode was used to inspect the correlations with removal efficiency and electrolytic voltage,electrolytic time,pH value and plate distance.In order to improve the removal efficiency,activated carbon and glass beads were filled between counter electrodes.The experimental result showed that the optimal conditions were 4.0 cm plate distance,pH value 3～4,22 V electrolytic voltage and 135 min electrolytic time,the removal rate of Cu wastewater reached 80.6%.

two-dimensional electrode；three-dimensional electrode；Cu wastewater

X703.1

A

1008-813X（2011）05-0063-03

10.3969/j.issn.1008-813X.2011.05.019

2011-08-27

孫穎（1973-），女，遼寧昌圖縣人，畢業(yè)于天津大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，副教授，主要研究廢水處理及資源化。