电浮选凝聚法处理污水的实验条件探究
2013-12-29宋婷卢一卉李远蓉石沛胡建莹田玉文
摘要:针对电浮选凝聚法处理污水实验效果不够理想的问题,采用简单比较法对电浮选凝聚法处理污水的实验条件(包括电极连接方式、氯化钠加入量、碳棒根数、电压等)分别进行了探究,得出最佳实验条件,旨在为中学化学教师顺利进行实验教学提供参考。实验结果显示:在10 V电压下,使用三电极(用铝片作阴极,用铁片和石墨电极作阳极)进行实验,在230 mL污水中,加入5.0 g氯化钠,碳棒数量在2~3根平行捆绑时,实验效果最佳。
关键词:污水处理;电浮选凝聚法;实验条件探究;实验改进
文章编号:1005–6629(2013)10–0042–03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
电浮选凝聚法处理污水是人教版高中化学选修6《实验化学》中的实验,通过该实验学生能了解其原理和装置,认识化学在解决污染问题中的作用,形成环保意识。电浮选凝聚法处理污水是通过电解的方式,阳极Fe失电子生成Fe2+,Fe2+进一步被氧化为Fe3+,Fe(OH)3有吸附性,可吸附污物沉积下来(凝聚);阴极产生氢气,气泡将污水中悬浮物带到水面形成浮渣层(浮选),以达到净水的目的[1]。但是,该实验在中学中较难达到理想的实验效果,存在以下不足:①耗时长;②电解时阳极铁失电子产生的Fe2+,只有少量被氧化为Fe3+,凝聚效果不理想[2]。
针对这些问题,研究者们主要从浮选和凝聚的角度提出了改进方法。具体如下:
为了增强浮选效果,研究者主要提出以下两种改进方案:①使用旋转电极[3];②添加表面活性剂SDS[4]。使用旋转电极,是通过搅拌的方式,促进浮选;而添加表面活性剂,可增强悬浮颗粒与气泡的粘附程度,从而提高浮选效果。为了达到较好的凝聚效果,研究者们主要提出了以下几种改进方案:①增大电极面积;②减小电极距[5];③加电解质NaCl或Na2SO4,以增强污水的导电性[6];④外加氧化剂H2O2等,促使2价铁转化为3价铁,提高凝聚效果;⑤采用三电极,即:铁片和石墨共同作为阳极,铝片作为阴极,阳极石墨的作用为产生氧气或氯气(电解质为氯化钠时),提高Fe2+转化为Fe3+的效率[7]。这些改进方案中仍存在以下问题:①表面活性剂SDS以及旋转电极在中学较少见,且会增加实验成本以及实验操作的复杂性;②采用三电极(铁片和石墨共同作为阳极,铝片作为阴极)进行实验时,石墨电极连接几根碳棒可达到较好的实验效果?③添加H2O2会造成实验成本增加,不添加是否也可达到较好的实验效果?④电解质氯化钠合适的加入量为多少?
针对上述问题,笔者及实验同组人员进行了以下实验探究。
1 实验部分1.1 实验原理采用三电极(铁片和石墨共同作为阳极,铝片作为阴极)时,电极反应如下:
阴极(Al片):2H++2e-=H2↑阳极(Fe片):Fe-2e-=Fe2+
(石墨):2Cl--2e-=Cl2↑
2Fe2++6H2O+Cl2=2Fe(OH)3↓+2Cl-+6H+阳极产生的氢氧化铁对杂质吸附使之沉降;阴极产生的氢气在上浮过程中,将污水中悬浮的杂质带到水面上[8]。这就是电浮选凝聚法(三电极)处理污水的原理。
1.2 仪器与药品
说明:三个电极在不相互接触情况下,电极之间距离越小越好。本实验中采用在硬纸板上打孔的方式,固定电极之间距离为2 cm,电极排列次序依次为铁片、碳棒、铝片。二电极即去掉中间石墨电极,以铁片为阳极、铝片为阴极。
2 实验内容
2.1 三电极有效性的探究
按1.3中装置图及说明连接实验仪器→配制污水(约230 mL自来水中,加入1滴墨水)→加入电解质氯化钠5 g→调节pH为6→接通电源、调节电压约为10 V,进行实验,观察记录现象。(注:18滴=1 mL)
在相同实验条件下,分别采用由纸板固定的二电极(平行放置Fe片和Al片,距离约4 cm)和三电极(在距离4 cm的Fe片和Al片中间平行放置由5根碳棒捆绑而成的石墨电极),进行实验,结果显示(见表1):阳极石墨的引入增加了氯气的生成量,提高了Fe2+转化为Fe3+的效率,三电极处理污水效果明显优于二电极。
2.2 氯化钠加入量的探究
实验步骤同2.1。
采用2.1三电极有效性探究实验中的三电极装置和污水,在10V电压下,仅改变氯化钠加入量,探究其最佳加入量。
在试做过程中得出,加入0.2 g、1 g、2 g氯化钠时,分层所需时间较长;加入10 g氯化钠时,气泡产生剧烈,分层时间较短,但浮选和凝聚效果较差;综合考虑时间和效果,加入4~7 g氯化钠时较好。因此,本次实验中分别称取氯化钠4 g、5 g、6 g、7 g,加入污水再进行实验,得出结论(见表2):采用三电极,在10 V电压下对230 mL自来水滴加1滴碳素墨水配制而成的污水进行处理时,加入氯化钠5 g,实验效果最佳。
2.3 石墨电极碳棒根数的选择
实验步骤同2.1。
采用上述实验(2.2)所得最佳实验条件:10 V电压、三电极、230 mL污水中加入5 g氯化钠,分别选用由1根、2根、3根、5根碳棒捆绑而成的石墨电极,观察并比较通电2min30s时各组实验的现象。
实验结果显示(见表3):石墨电极用量在2~3根碳棒平行捆绑时,处理后污水颜色较浅且较澄清,实验效果较碳棒数为1根、5根时更优。
2.4 电压的选择
实验步骤同2.1。
考虑到部分中学实验条件有限,因此,笔者及同组人员采用上述实验所得最佳条件(三电极、5 g氯化钠、2根碳棒捆绑而成的石墨电极),在更低的电压(6 V、8 V)下进行了该实验,观察记录现象。
实验结果显示(见表4):在6 V电压下,3min30s时污水明显分层;在8 V电压下,3 min时污水明显分层。均可达到实验教学的要求,但中间层的澄清效果,与10 V电压时相比较差。
3 结论
本文在前人基础上,结合考虑了中学化学实验设备、药品等条件,以实验装置简便、实验成本尽量低为原则,从影响实验效果的各个因素入手,探究了实验最佳条件,以确保其能在高中课堂中顺利进行。综上讨论,电浮选凝聚法中使用三电极处理污水时较二电极处理效果明显提高,中间层更澄清,悬浮物较少;使用三电极进行实验时,用铝片作阴极,用铁片和石墨电极作阳极,在230 mL污水中,加入5.0 g氯化钠,碳棒数量在2~3根平行捆绑时,实验效果最佳,在电压为9 V左右时,均可达到实验教学要求。
参考文献:
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