低压脉冲电解法处理废乳化液的影响因素

2011-11-08孙小燕张国青

池州学院学报 2011年6期

关键词：电解法乳化液电解

孙小燕，张国青

（池州学院物理与机电工程系，安徽池州 247000）

低压脉冲电解法处理废乳化液的影响因素

孙小燕，张国青

（池州学院物理与机电工程系，安徽池州 247000）

机械加工中起冷却、作用的乳化液，循环使用变质后，必须经过处理达到国家规定的排放标准后才可以排放，达到环保的目的。采用脉冲电解法对废乳化液进行处理，高压脉冲电解耗能大，对反应器绝缘安全要求高，不利于工业广泛应用。而铝电极一低压脉冲电解法处理可降低电耗，减少电极损失，其COD去除率达到国家达到规定的排放标准。本文研究了脉冲电解法的电流大小、宽度、极板间距和pH值等因素对废乳化液COD去除率效果的影响。研究表明：酸性和中性介质电解效果好于碱性条件；电极间距可改善电解效果；适宜占空比，脉冲频率即可发挥脉冲作用，既增强电解效果，又消除钝化效果；电流密度取适均效果好。

废乳化液；脉冲电解；铝电极；影响因素

脉冲电解处理废乳化液是一种新兴而有效的方法，即不断重复进行“供电-断电-供电”的电解过程[1]，既有电解法的优势，又能克服恒稳直流电源的缺陷，使电能耗大大降低。因为脉冲电源的脉冲信号，使得电极上的反应时续时断，便于反应后离子扩散,浓差极化降低,降低了电能的损耗。脉冲电流的产生是离子在电场作用下流动所形成的。因此在供电时间内，离子浓度会快速降低；在间隙时间内，离子浓度会快速恢复和补充，所以脉冲电解法的电流密度要比直流电解时的电流密度高，废乳化液的处理效果大大增强。迄今为止，国内外对脉冲电解在电解处理废水方面的研究还不多，主要侧重于高压脉冲电解法处理工业印染污水等方面[2]，电能耗大，且对反应器绝缘安全要求较高，不利于工业化应用，而低压脉冲电解法可克服这些缺陷。本文以废乳化液为处理对象，采用金属铝为电极，通过脉冲低压电解处理方式，通过实验的方式确定脉冲电解处理废乳化液的主要影响因素，寻求技术的可行性，为其它类型的难降解、高浓度废水处理提供更多的技术处理途径，为脉冲电解法处理废水技术提供一个重要的发展方向。

1 实验基本原理

脉冲电解法处理废乳化液的实质,是利用脉冲电流进行电絮凝，使乳化液破乳，使有毒物质变为低毒、无毒物质[3]。此过程用铝板做阴、阳两极，废乳化液是电解质，接通脉冲电流时，产生电解、氧化还原反应等反应。阳极电解出的Al3+，与水电解出的OH-结合，形成吸附性很强的Al(OH)3，凝聚并吸附废液中的杂质，且阴极发生的还原反应[4-5]，发生化学反应生成很小的气泡，可以把电解后的絮凝物夹带上浮到电解槽的液面，实现油水分离，并降低COD值的目的。实验时需加入NaCl（加入量为1%）提高废乳化液的电导率。

电解反应方程式如下所示：

阳极：Al-3e=Al3+阴极：2H2O+2e-→ H2↑+2OH-

总反应：Al3++3OH-=Al(OH)3↓

相关副反应：2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑

Al3++4OH-=AlO-+2H2O H++4H2O+AlO-=Al(OH)3↓

2 实验部分

其原理装置图如下，电解槽中插入两根5cm×10cm铝金属板。由于废乳化液的电导率很低，所以选择加入1%的氯化钠使电导率提高，脉冲电解过程中，极板间距可调，间距越小，效果越好，但是间距太小易造成短路。电极间距增大会导致电极间的电阻增大，消耗电能更多，所以其实验范围为5-25mm.

图1 脉冲电解反应原理图

2.1 实验废乳化液

实验所用的是某机械厂机加工车床循环使用过的废乳化液，外观呈灰白色浑浊，测定其成分的主要参数见表1

表1 废乳化液主要成分测定参数

2.2 实验装置

图2 实验装置

该实验装置由脉冲电源、电解槽、斩波器、示波器、铝棒电极组成。

2.3 主要试验仪器

电解槽：300mL烧杯；电极：两个5cm×10cm金属铝棒；示波器；PH酸度剂；脉冲电源，型号为GGDF1500A12V，可提供方波电流，占空比可调范围为 0～1，频率可调范围为 0～1000Hz。

2.4 实验方法

其具体的内容：电源与电解槽中铝电极连线，加入一定量待测废乳化液，补充一定质量分数的NaCl以增强其溶液的导电性，调整有关参数，开启脉冲电源，进行废乳化液的COD去除试验，电解过程主要考虑电流密度、脉冲宽度、电极间距、pH值等主要影响因素，做单因素优化试验。分析其处理效果，定时取样测定，计算去除率，了解变化趋势，得出实验范围内的最佳参数。

3 实验结果与分析

3.1 极板间距d对COD去除率的影响

极板的材料选用铝，电极间距在5～25 mm之间调整，其间距的大小是重要参数之一。用Matlab软件处理数据，得到d与COD去除率之间关系曲线图2。

图3 d与COD去除率关系图

图4 i与COD去除率关系图

从图3看出两者之间的变化关系，整个实验范围内COD去除率随d的变化影响不大，但d取10mm时，COD去除率值达到最小。从理论上来说，电极间距应该尽可能的取小些，以减小两极间的电阻。当电压取定值时，电极间距增大会导致电极间的电阻增大，消耗更多电能。另外,随着极间距增大槽压也呈线性上升，可致电极表面负反应发生，降低了电解效率。因此在不影响操作的条件下，电极距离取较小为宜。

3.2 电流密度i对COD去除率的影响

电流密度i与COD去除率之间的关系曲线如图4所示。在实验范围内，电流密度存在一个最佳值，若电流密度过小，电解产生的铝离子量就少，很难形成单核或多核铝，脉冲电解过程中主要表现为中和乳化油或悬浮颗粒表面的电荷而产生凝聚,处理效果不理想；若电流密度过大，产生气泡多，电极间水流剪切力大，易打碎絮凝体[6]，并且影响絮凝体的沉淀。从节约电能耗考虑，电流密度过大，电流效率降低。故在实验范围内，电流密度选择200～300 A/m2之间值。

3.3 pH值对COD去除率的影响

pH值与COD去除率的关系曲线如图5，由图可知，脉冲电解法处理废乳化液，pH对电解效果影响较大，中性偏酸性条件下比在碱性条件下处理效果好。当5≤pH≤7时，COD去除率处于较高水平，溶液的pH值为7时，即溶液呈中性时，COD的去除率达到最大值。有资料显示：当水溶液的pH<4时，水中的A13+以六配位水合铝离子Al(H2O)63+的形式存在，未发生任何水解，随着pH的上升，AI(H2O)63+通过Al(OH)+、Al(OH)2+等过程产物逐渐向Al(OH)3转变，这时水的混凝效果也越来越好。当溶液碱性很大时，Al(OH)3重新溶解，生成偏铝酸离子A102-,混凝作用逐渐消失，COD去除率没有显著的变化[7-9]。在实际生产中，废乳化液产生量较大，调节pH值所需费用也较大，加入添加剂又容易给废乳化液后续处理带来困难。所以在本工艺条件下，pH=6～7.5凝絮效果好。