高压脉冲电絮凝处理含六价铬废水

朱小梅,孙冰,赵娜,那海珍

(1.大连海事大学环境科学与工程学院,辽宁大连 116026;2.沈阳职业技术学院机械装备系,辽宁沈阳 110045)

高压脉冲电絮凝处理含六价铬废水

朱小梅1,孙冰1,赵娜2,那海珍1

(1.大连海事大学环境科学与工程学院,辽宁大连 116026;2.沈阳职业技术学院机械装备系,辽宁沈阳 110045)

为解决电镀废水的处理问题,采用高压脉冲电絮凝技术对含六价铬废水进行处理,研究了电流、通电时间、脉冲频率和六价铬的质量浓度对处理效果和能耗的影响.实验结果表明,高压脉冲电絮凝法对废水中的六价铬离子具有很高的去除率,最高可达100%.六价铬的去除率随着电流、通电时间、脉冲频率的增加而增加.该方法具有能耗低的优点,适当地提高脉冲频率、降低电流可以降低能耗,提高能量效率.

高压脉冲;电絮凝;含铬废水;能耗

电镀行业是当今全球三大污染工业之一,作为工业生产的一个重要污染源,其重金属废水的排放给环境带来了巨大的损害,也给人类带来了极大的危害,其中以六价铬最为突出.人们在逐渐认识到重金属废水对环境特别是对人类自身产生的危害后,制定了严格的污水排放标准,并采取了多种措施治理重金属废水污染,包括化学沉淀法、化学絮凝法、浮选法、电解法、离子交换法以及膜过滤法等[1-5],虽然含铬废水的处理方法有很多,但是每种方法都存在着一定的不足,从而限制了它们的应用,如化学法是诸多方法中较为可靠成熟的处理工艺,但该方法对自动化程度要求较高,工艺流程较复杂,并且必须加药,造成废渣量大;电解法也是一种较成熟的处理技术,但是该技术存在成本较高的缺点.高压脉冲电絮凝法是近几年发展起来的处理电镀废水的方法[6-8],该技术突破传统的低电压、大电流之电解法,而采用高电压、小电流,借助外加高电压作用产生电化学反应,把电能转化为化学能,可实现对废水中有机或者无机物的氧化还原反应,进而凝聚、浮除,将污染物从水体中分离.该技术运行过程中不需添加化学絮凝剂,从而减少了污泥的产生量,并且该方法集氧化还原、絮凝、气浮为一体,操作简单,处理效率高,节省电能,具有很好的推广应用价值.

本文采用铁板作为电极,对高压脉冲电絮凝技术处理含六价铬废水进行了研究,考察了电流、通电时间、脉冲频率、溶液六价铬初始质量浓度等对含六价铬废水的处理效果和能耗的影响.

1 实验部分

采用自制的高压脉冲电源,取1.5 L的含六价铬重金属离子的模拟废水(Cr6+的质量浓度为30 mg/L, p H为3.5)于反应容器中,将多板铁电极放入废水中并连接电路,接通电源处理废水,处理时间为3～16 min.

采用泰克科技有限公司的数字式荧光示波器(digital phospho r oscilloscope,TDS3032B)测定处理过程中的电压、电流以及脉宽;用DDS-11A型数显电导率仪测定溶液的电导率;用梅特勒-托利多仪器有限公司生产的p H计测定废水的p H值;用CJ/T 71—1999城市污水六价铬的测定二苯碳酰二肼分光光度法测定电镀废水中的六价铬.

2 结果与讨论

2.1 电流对六价铬去除率和能耗的影响

分别选取电流为0.1,0.3,0.4,0.5,0.7,0.9 A,此时各电流对应的电压分别为13.3,22.8,30.0,38.6, 48.7,64.3 V.在通电时间(8.0 min)相同的条件下,电流对六价铬去除率的影响如图1所示.

由图1可以看出,在通电时间一定的情况下,随着电流的增加,废水中六价铬的去除率逐渐增大.当电流达到0.5 A以上时,六价铬的去除率可以达到近100%.

图1 六价铬去除率随电流的变化曲线Fig.1 Cr6+removal rate with applied curren t

高压脉冲电絮凝过程中的能耗E可以由公式(1)计算,由公式(1)可知,电流可以影响能耗.

式中:E——每t水处理能耗(kW h/t),U——单元电解电压(V),I——单元电解电流(A),t——通电时间(h),Q——处理水量(t).

图2为电流对由公式(1)计算得到的能耗的影响.在通电时间一定的情况下,电流越大,能耗也越大.

根据Faraday定律可知,在处理量一定的情况下,对于一定质量浓度的六价铬溶液,使六价铬质量浓度下降到一定值所需要的Charge loading(通过单位体积废水的电量)是一定的,增大电流可以缩短反应时间.为了更深入研究电流的影响,比较同一Charge loading的条件下,大电流(0.9 A)和小电流(0.5 A)对六价铬去除率和能耗的影响,实验结果如表1所示.

表1 不同电流对六价铬去除率和能耗的影响Tab.1 Effect of differen t applied curren t on Cr6+removal rate and energy effiency

由表1可见,电流由0.5 A增大到0.9 A时,100%去除所需通电时间由8.0 min降至4.4 min,分析主要原因可能是,在单位时间内,电流越大,极板上溶下的铁离子就越多,Fe2+对六价铬的还原能力就越强,而且形成共絮体的速度也更快;但电流的增大使槽电压也随之增大,从而使能耗增大.从能量效率计算结果可以看出,大电流的能量效率明显低于小电流,这说明与小电流相比,电流过大时能量以其他形式损耗的更多.由此可见,电流增大不利于降低能耗.

此外,从电化学意义上分析,电流越大,超电势也会越大,电能消耗随之变大,电极的极化和钝化现象也会加剧,从而导致达到理想处理效果所需要的电压和能耗增大.因此电流是影响电絮凝处理效果和能量效率的重要因素之一.在实际工程中,为了节约能耗、提高能量效率,在保证可以完成处理水量的前提下,要尽量降低电流,采用小电流进行脉冲电絮凝.

2.2 通电时间对六价铬去除率和能耗的影响

当电流为0.5 A,脉冲频率为10 kHz时,考察了通电时间对六价铬去除率的影响,结果如图3所示.随通电时间的增加,六价铬的去除率增大,对于六价铬质量浓度为30 mg/L的溶液,通电8.0 min,其去除率可达到99.8%,反应后废水中六价铬的质量浓度为0.06 mg/L.

对处理后废水的p H值测量发现,出水p H值除处理时间为3.0 min时为5.99,大于3.0 min处理时间的出水p H值均为6～9,处理时间为8.0 m in时出水p H值为7.40,直接达到国家污水排放标准中对p H值的要求,无需另投加化学药剂.

由此可见,通电时间的长短直接影响处理效果和处理成本.从理论上讲,通电时间越长,六价铬的去除率越高,处理效果越好.但过长时间的通电容易增加能耗和水力停留时间,使处理成本增加,并造成出水p H值过高,超出排放标准.

2.3 电源频率对六价铬去除率和能耗的影响

脉冲频率是脉冲电源区别于直流电源的重要特性参数.表2考察了在恒定电流(0.5 A)、相同通电时间(8.0 min)和处理水量相同的条件下,槽电压、能耗及六价铬的去除率随脉冲频率的变化.

表2 槽电压、能耗及六价铬去除率与脉冲频率的关系Tab.2 Voltage,energy consum ption and Cr6+removal rate with pulse frequency

从表2可以看出,随着脉冲频率的增加,六价铬的去除率略有增加.脉冲频率对槽电压和能耗的影响很大,随着脉冲频率的增加,槽电压下降明显.根据公式(1),在电流I、时间t和处理水量一定的条件下,槽电压直接影响了能耗.因此,随着槽电压的不断降低,能耗也随之减少,能量效率随之增大.由此可见,脉冲电絮凝法处理电镀废水的反应更适合在高频条件下进行.

2.4 溶液初始质量浓度的影响

在处理水量一定的条件下,溶液中六价铬的初始质量浓度直接影响了使出水水质达标所需要的通电时间.图4给出了六价铬质量浓度分别为30,40和50 mg/L时,六价铬去除率与通电时间的关系.

图4 六价铬不同初始质量浓度时,去除率与反应时间的关系Fig.4 Cr6+removal rate with reactive time on differen t original concentration of Cr6+

由图4可以看出,当六价铬质量浓度为40 mg/L时,在处理时间为12.0 min时其去除率可以达到99.9%以上;六价铬质量浓度为50 m g/L时,需要16.0 m in其去除率才能达到99.9%以上.可见六价铬初始质量浓度越高,需要的处理时间就越长.

中小型电镀厂或电镀车间电镀含铬废水中,六价铬离子质量浓度在10～20 m g/L,只有不到5%的时间超过40 mg/L[9].因此,在本实验所得到的最优化参数下,8.0 min的处理时间内,可以保证六价铬离子去除率达到99.9%. 2.5 能耗分析

传统电絮凝方法的应用之所以受到限制,主要是因为其运行费用较高、能耗较大.下面根据本实验的研究内容,分析影响能耗的主要因素,讨论高压脉冲电絮凝法的节能措施.

从能耗公式(1)可以看出,在处理一定水量的废水时,能耗是由槽电压U、电流I及反应时间t决定的.因此,在保证处理效果的同时,为了节约电耗,要尽量降低槽电压,采用小电流和缩短反应时间.

本实验研究结果表明,减小电流可以节约能耗,提高能量效率.在电流一定的情况下,影响槽电压的主要因素包括脉冲频率、通电时间等.适当地调高脉冲频率可以降低槽电压,达到降低能耗的目的.在实际废水的处理过程中,应尽量找出使出水水质达标所必要的通电时间,避免不必要的能量损耗.

3 结论

采用高压脉冲电絮凝法可以有效去除废水中的六价铬,当处理水量为1.5 L、六价铬质量浓度为30 mg/L,电流为0.5 A,脉冲频率为10 k Hz,反应时间8.0 min左右时,六价铬的去除率可以达到近100%,出水p H值达到7.4左右,能耗为1～2 kW h/t.对于一定质量浓度的六价铬溶液,电流影响了达到99.9%去除率的反应通电时间、能耗和能量效率,在反应时间一定的情况下,六价铬的去除率随电流的增加而增大,增大电流虽然可以缩短反应时间,但同时大大增加了能耗、降低了能量效率.六价铬的去除率随反应时间的增加而逐渐增加,出水p H值也逐渐增大.频率对六价铬去除率有一定的影响,使用高频脉冲,可以降低能耗,提高能量效率.另外,随着六价铬初始质量浓度的增加,六价铬去除率降低,且达到99.9%以上去除率所需的时间增长.综上,该方法在处理含六价铬废水方面具有很大优势,产生的污泥量较少,可以有效地防止电极钝化,缩短反应时间,减少能耗,具有广阔的应用前景.

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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

国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室开放基金资助项目(200919);国家自然科学基金资助项目(10875019;41005079);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2009JC05;2009QN060)

朱小梅(1979—),女,辽宁大连人,大连海事大学讲师,主要从事污染控制、环境友好催化的研究.

(责任编辑:赵藏赏)