脉冲电解技术处理电镀废水的研究

2015-03-17莫晨剑阮琥陈彬

资源节约与环保 2015年6期

莫晨剑阮琥陈彬

（台州市污染防治工程技术中心浙江台州 3 18 000）

1 引言

电镀废水主要来源于电镀件清洗水、镀液过滤、废镀液以及电镀车间的“跑、冒、滴、漏”等。电镀废水中污染物种类多、毒性大、危害严重、含有重金属离子或氰化物等，有些属于致癌、致畸或致突变的剧毒物质[1]，这些有害物质进入环境，会对生态环境及人类社会产生广泛而严重的危害。含氰废水毒性很大，微量就能致人死亡；重金属离子进入水体后可以被生物体吸附，一旦进入食物链，将在人体内富集而使人体中毒，甚至导致死亡[2]。因此，电镀废水的治理是一个不可忽视的问题。在电镀废水处理过程中，实行污水回用和贵重金属回收，不仅能节约水资源，回收重金属，还能有效地解决重金属对水体的污染，保护生态环境[3]。

脉冲电源以其省电、高效的优点,在多个行业得到广泛的应用，成为当前研究的一个热点[4]。但目前，国内外对脉冲电解处理废水方面所涉及的物化参数研究很少，将脉冲电解处理废水应用于实践还需要进一步研究。有鉴于此，本文采用配备圆筒形不锈钢阴极和圆柱形石墨阳极的电解设备，以电能消耗量、除氰率和铜、镍回收率为指标，考察电解质的投加量及电解电源对该电解设备处理含氰含铜镍电镀废水的效果。

2 实验材料与方法

2.1 实验废液

实验用水取自于临海市某电镀厂。

表1 实验废水的成分及含量

2.2 实验仪器

脉冲电解反应器（自制）；C a r r y 50紫外型可见分光光度计；T A S-990火焰原子吸收光谱仪；G G M F-100/12-A逆变脉冲电源；B T 01-100型蠕动泵；C-3 1A型电流表；C R-3 0增氧泵；F A 2004电子天平；电子调温电炉；D E L T A 3 20p H计；D K S-12型不锈钢新型电热恒温水浴锅。

2.3 实验试剂

磷酸；氢氧化钠；乙二胺四乙酸二钠；乙酸铅[P b(C2H3O2)2·3 H2O]；丙酮；铬酸钾；硝酸银；磷酸二氢钾；磷酸氢二钠；氯胺T(C 7 H 7 C l N N a O2S·3 H2O)；异烟酸；1-氨基-3-甲基-5-吡唑啉酮；N，N-二甲基甲酰胺；氰化钾；硝酸。

2.4 实验装置

脉冲电解工艺装置及流程如图1所示，电解工艺装置由电解反应器、脉冲电源、空气供应系统、水循环系统组成。反应器为聚氯乙烯制成的圆柱体槽，其结构尺寸为Φ150m m×13 0m m，有效容积为1.5L，槽内固定一个圆柱体石墨阳极(Φ20×18 0m m)和一个圆筒形不锈钢阴极(Φ150m m×13 0m m)，并通过循环泵使槽内的水形成循环，同时用增氧泵进行曝气。

图1 脉冲电解工艺流程示意图

2.5 分析测试方法

用异烟酸—吡唑啉酮比色法（G B 7 48 6-8 7）检测氰化物[5]，铜离子和镍离子含量的检测采用原子吸收分光光度法。脉冲电解氧化氰和还原铜镍的性能分别用除氰率和铜镍回收率表示。

3 结果与分析

3.1 电解时间对电镀废水处理效果的影响

不同电解时间下的处理效果如图2所示。

从图2中可看出，电镀废水的除氰率和铜镍回收率随着电解时间的增加而明显提高。在电解2h内，除氰率和铜镍回收率都迅速提高，在电解2h时，除氰率可达到95.9%，铜镍回收率分别达到8 2.3%、65.2%。之后，除氰率上升平缓，基本达到稳定，而铜镍回收率仍旧有上升空间，但上升缓慢，在3 h时分别达到96.8%、8 7.7%和8 1.2%。这主要是由于：一方面，随着电解的进行，废水温度不断增高，可导致电流的紊乱而影响电解效果；另一方面，电解时间的延长，使阳极面逐渐形成一层钝化膜而影响处理效果。故在本实验操作条件下，对于氰化物来说，最佳电解时间为2h，而对于铜和镍来说，最佳电解时间为3 h。

图2 电解时间对氰化物及铜镍去除率的影响

3.2 电压对电镀废水处理效果的影响

不同的电解电压条件下，电解2h，结果如图3所示。

图3 电压对氰化物及铜镍去除率的影响

由图3可知，当电压从2V增加到5.5V的过程中，氰化物的去除率和铜镍的回收率都在逐渐增大，5.5V时达到最大，分别为 95.9%、8 2.3%和65.2%。这是由于电压越大，阳极电极电位越高，阳极表面的氧化作用越强，反应速率常数越大。但是过大的电压容易使阳极钝化，这样，虽然电压加大了，但效果并不提高。故实验选取的最佳电压为5.5V。

3.3 频率对电镀废水处理效果的影响

频率是脉冲电源的重要参数之一，对电镀废水的处理有很大的影响。不同频率下的处理效果如图4所示。

图4 脉冲频率对氰化物及铜镍去除率的影响

由图4可知，脉冲频率从3 00H z增加到900H z时，除氰率随着脉冲频率的增加而增大，当脉冲频率为900H z时，除氰率出现最高峰，达到了95.9%。当频率从900H z上升到1500H z时，除氰率又有所下降。另外，铜镍的回收率随着脉冲频率变化的趋势与除氰率相似，先增后减，当脉冲频率为900H z时，铜镍回收率最大，分别达到8 2.3%和65.2%。这是由于如果频率过小,通电时间t o n和断开时间t o f f均较大。通电时间t o n较大会失去脉冲消除钝化的效果,而t o f f较大则可能会增加不必要的处理时间,即在t o f f结束之前溶液中的铜离子、镍离子浓度已达到均匀状态,静置时间的增加并没有取到应有的作用[6]。而频率过大，输出电流接近直流电，尽管整个电流是脉冲的,但却显不出脉冲效果，也就失去脉冲消除钝化的效果。因此，在实际运行过程中应考虑脉冲频率适宜值，故本实验选取最佳频率为900H z。

3.4 占空比对电镀废水处理效果的影响

占空比为在振荡频率一定时,脉冲导通时间(在此期间内进行电解)与整个脉冲周期的比例，是脉冲电源的另一重要参数。脉冲占空比对废水的处理有着显著的影响，适宜的占空比易于发挥脉冲的作用。不同占空比下，氰化物的去除率和铜镍的回收率如图5所示。

图5 脉冲占空比对氰化物及铜镍去除率的影响

由图5可知，随着占空比的增加，除氰率及铜镍的回收率不断增大，占空比为50%时，达到最大，分别为95.9%、8 2.3%、65.2%。而当占空比大于50%后，除氰率及铜镍的回收率随着占空比的增加又有所下降。这是由于占空比越小,脉冲间隔的时间越长,金属离子有充分的时间扩散到阴极附近从而减弱浓差极化,这能使金属表面沉积致密、光滑。但占空比太大,浓差极化不能消除,这会使得金属沉积表面变粗糙。占空比太小,相应的峰电流越大,产生的过电位越大,此过电位大于金属结晶的过电位时会导致阴极的极化,使金属沉积表面状况反而变差。因此，在本实验操作条件下，50%是最优的脉冲占空比。

3.5 电解质投加量对电镀废水处理效果的影响

水中的强电解质含量多少，直接影响到废水的导电能力、电压和电能消耗。氰化含铜含镍废液中还有其他的盐类和杂质，投加N a C l量理论计算复杂且不易做到准确，一般通过试验确定。在不同的电解质投加量条件下，电解2h，结果如图6所示。

图6 NaCl投加量对氰化物及铜镍去除率的影响

由图6可知，在N a C l投加量增加的过程中，除氰率和铜镍回收率都在不断增大，当达到16g/L时，去除率均达到最大，分别为95.6%，8 1.5%和60.7%。之后，去除率变化不大，大致趋于稳定。这主要是由于投加N a C l能消除电解过程中阳极钝化的现象，提高水的电导率，增加其导电能力，也能减少电能的消耗，所以在废水中加入适量的N a C l对电解过程是有利的。但N a C l的投加量要适当,若投加量过大，电导率就会过大，将导致电流的泄漏率增加，降低电流的利用。此外投加N a C l还会使水中的氯离子增多，影响出水水质，不易于水的回收。故本实验选取最佳条件为每升废水中投加N a C l固体16g。

3.6 最佳条件下的实验

取1.5L电镀废水于电解反应器中，在循环流速100m L/m i n，控制曝气速率1.0L/m i n的条件下，加入N a C l固体16g/L，搅拌均匀，调节脉冲电源频率900H z，占空比为50%，电压为5.5V，电解2h后，测定氰化物浓度，电解3 h后，测定剩余铜镍的浓度，结果见表2。