任陽民， 梁宏， 邱陽， 王世程， 張利

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

脈沖電解技術處理含鉻廢水實驗研究

任陽民1， 梁宏1， 邱陽1， 王世程1， 張利2

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

脈沖電解技術應用于含鉻廢水處理，以六價鉻去除率為考察指標，通過篩選極板材料、電源種類、極板組數(shù)強化處理效果，考察了廢水pH值、初始濃度、電流強度、電解時間對六價鉻去除的影響。實驗結果表明，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)可顯著強化六價鉻去除率，根據(jù)反應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；脈沖電解技術更適合低濃度含鉻廢水的處理；最佳實驗條件下六價鉻去除率最高可達99.4%。

電化學；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、轉移，對生態(tài)環(huán)境和人體健康危害嚴重。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]，需對其進行深度處理以實現(xiàn)達標排放。電化學法處理含鉻廢水無需加入化學藥品，處理系統(tǒng)占地面積較小，易于實現(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，探索電化學技術應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)進一步強化處理效果，著重考察了廢水pH值、初始濃度、電解時間、電流強度等因素對處理效果的影響趨勢，并對運行條件進行優(yōu)化，探索最佳處理效果。

1實驗部分

1.1實驗裝置

電解反應器：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實驗方法

(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。電化學法處理裝置如圖1所示。

圖1電化學法處理裝置圖

1.3主要研究指標和分析方法

電導率采用DDS-11A型電導率儀檢測，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實驗結果分析與討論

2.1極板材料篩選

在電導率2000 ms/cm、電流強度1.0 A、電解時間60 min的實驗條件下，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。因為以鐵為極板材料時，電解含鉻廢水時發(fā)生如下反應[10]：

Fe-2e-→Fe2+

電解過程中生成的的Fe2+具有還原作用：

Fe2+的間接還原作用進一步強化了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

在電導率2000 ms/cm、電流強度1.0 A、電解時間60 min的實驗條件下，分別采用直流電源和脈沖電源對含鉻廢水進行電解處理，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，電流強度1.0 A的實驗條件下，采用電極組數(shù)分別為1、3、5、9進行含鉻廢水電解，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；當電極板數(shù)為9時，六價鉻去除率達到最大為96.35%，增加電極板組數(shù)相應增大了有效電解面積，同時極板間距減小使達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]。實驗確定自制反應器電極板組數(shù)為9。實際工程中極板間距過小時易造成堵塞，建議結合反應器體積、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，電流強度1.0 A的實驗條件下，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。因為脈沖頻率過低時，電流持續(xù)時間過短，電解反應時間過少；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。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，電流強度1.0 A的實驗條件下，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，電流強度1.0 A的實驗條件下，電解時間分別為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min進行電解，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，反應池內(nèi)溫度過高，對電解設備材料要求更高，故綜合考慮選取電解時間為30 min。

2.7電流強度對廢水處理效果的影響

為了考察電流強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的實驗條件下，采用電流強度分別為0.7 A、1.0 A、1.3 A、1.7 A、2.0 A電解含鉻廢水，得到電流強度對六價鉻去除率的影響趨勢如圖8所示。

圖8電流強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度增大而增大。電解過程中增大電流會加快反應速率，同時也會使電解副反應能耗和電解水溫也隨之增高[16]，綜合考慮選取電流強度為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，電流強度2.0 A的實驗條件下，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%，處理后可達國家污水排放標準，電化學技術適宜處理初始濃度≤100 mg/L的含鉻廢水。

4結論

通過以上實驗結果分析及討論，可得到以下結論：

(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)可顯著強化六價鉻去除率，確定自制反應器極板組數(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、電流強度的增加而顯著升高，電源脈沖頻率最佳為1 kHz。最佳實驗條件為：電源脈沖頻率1 kHz，pH值3，電解時間30 min，電流強度為2.0 A，初始濃度100 mg/L，最佳實驗條件下六價鉻去除率最高可達99.4%。建議電化學技術適宜處理初始濃度≤100 mg/L的含鉻廢水。

[1] 周棟,高娜,高樂.工業(yè)含鉻廢水處理技術研究進展[J].中國冶金,2017(1):2-6.

[2] 劉世德.綜合電鍍廢水化學處理方法的預處理工藝研究[D].天津:天津大學,2009.

[3] 熊志斌.印刷電路板生產(chǎn)廢水處理工藝的研究[D].武漢:武漢科技大學,2009.

[4] 劉崢,韓國成,王永燎.鈦-鐵雙陽極電絮凝法去除電鍍廢水中的鉻(Ⅵ)[J].工業(yè)水處理,2007(10):51-54.

[5] 張晨.環(huán)境樣品中鉻、硒形態(tài)分析方法及應用[D].北京:中國地質(zhì)大學,2013.

[6] 謝文強.六價鉻對人體急性與慢性危害探究[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2016(7):131-135.

[7] 姚星星.鉻污染場地環(huán)境風險定量評估與修復實驗效果探究[D].重慶:重慶大學,2015.

[8] JUNG K,HWANG M,PARK D,et al.Performance evaluation and optimization of a fluidized three-dimensional electrode reactor combining pre-exposed granular activated carbon as a moving particle electrode for greywater treatment[J].Separation and Purification Technology,2015,156:414-423.

[9] 張運平.特定電絮凝設備在廢水處理中的應用研究[D].西安:西安建筑科技大學,2005.

[10] 劉玉玲.電絮凝—活性炭技術處理含鉻廢水的工藝研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學,2014.

[11] 陳意民,李金花,李龍海,等.脈沖電絮凝處理難降解印染廢水的研究[J].環(huán)境科學與技術,2009(9):144-147.

[12] Keshmirizadeh E,Yousefi S,Rofouei M K.An investigation on the New operational parameter effective in Cr(VI) removal efficiency:A study on electrocoagulation by alternating pulse current[J].Journal of Hazardous Materials,2011,190(1-3):119-124.

[13] HAKIZIMANA J N,GOURICH B,VIAL C,et al.Assessment of hardness, microorganism and organic matter removal from seawater by electrocoagulation as a pretreatment of desalination by reverse osmosis[J].Desalination,2016,393:90-101.

[14] 儲金宇,李玉蓉.超聲強化電絮凝處理洗車廢水的試驗研究[J].環(huán)境污染與防治,2012(3):1-3.

[15] LU J,WANG Z,LIU Y,et al.Removal of Cr ions from aqueous solution using batch electrocoagulation:Cr removal mechanism and utilization rate of in situ generated metal ions[J].Process Safety and Environmental Protection,2016,104,Part A:436-443.

[16] 張條蘭,方秀葦,席會平.電絮凝法處理電鍍廢水中的銅、鎳、鉻[J].山東工業(yè)技術,2015(17):98-99.

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(2016ZX05040003-004-002)；四川省科技支撐計劃項目(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