电絮凝法处理重金属冶炼废水的研究

2018-05-02杨鸿鹰张国辉冯党卫王玲燕

中国有色冶金 2018年2期

杨鸿鹰，张国辉，冯党卫，王玲燕

(1.陕西省工业水处理工程技术研究中心，陕西西安 710054; 2.陕西省石油化工研究设计院，陕西西安 710054; 3.西安昊芯环境技术有限公司，陕西西安 710075)

重金属废水主要来自有色金属冶炼﹑电镀﹑皮革加工和部分化工企业等。重金属污染物通常具有急性或慢性毒性，无法通过自净作用消失，但可通过生物食物链富集，引起人和动物肾脏、生殖系统、肝脏、脑和中枢神经系统等功能的紊乱[1]。重金属废水若不加以有效处理而排放，将对人的健康和生态安全带来极大危害。水体重金属污染已成为全球最严重的环境问题之一。

处理废水中重金属的方法很多，有絮凝法[1]﹑化学沉淀法[2]﹑吸附法[3-5]﹑离子交换法[6-7]﹑生物法[8-9]﹑膜法[10-11]﹑微电解法[12]等。

电絮凝法为近年来颇有竞争力的一种污水处理工艺，此工艺操作简单，效率高，不添加絮凝剂，是一种环境友好型水处理工艺，已被用于处理生活污水[13]﹑电镀废水[14]﹑重金属废水[15-16]﹑造纸废水[17]﹑含油污水[18]。本实验采用电絮凝法对金属冶炼废水进行处理，优化了初始pH﹑极板间距﹑电流密度﹑反应时间等参数条件，取得了良好的处理效果。

1 实验部分

1.1 实验用水与仪器

实验用水来自于某冶炼废水，废水水质见表1。

表1 废水水质

检测仪器：美国Thermo Fisher 6300 ICP分析仪，哈希HQ40d分析仪。

1.2 实验方法

电絮凝实验装置为自制设备，电絮凝反应槽尺寸为400 mm×200 mm×200 mm，电极板采用铝极板，尺寸为150 mm×100 mm×3 mm，10块平板电极排列在反应槽内，间距为20 mm。污水通过磁力泵进行循环，污水进入后开始循环，通电后调整到所需电流开始计时，隔一段时间后取样100 mL，静置10 min后取清液测试Ni和Co含量。

2 结果与讨论

2.1 初始pH值对电絮凝效果的影响

在极板间距20 mm﹑电流密度15 mA/cm2﹑槽电压2.8 V﹑反应时间4 min条件下，用0.1 mol/L盐酸和0.1 mol/L氢氧化钠调节废水的pH值，考察废水初始pH值对重金属离子去除率的影响，结果如图1所示，处理后水质见表2。

图1 初始pH值对电絮凝效果的影响

pH值5.06.07.08.09.0处理后废水含Ni/mg·L-182.611.82.90.30.1Ni去除率/%64.2494.8999.5799.9199.96处理后废水含Co/mg·L-16.42.30.40.20.1Co去除率/%70.9189.5598.1898.6499.55国标Ni/mg·L-1≤0.5Co/mg·L-1≤1.0

由图1可知，当初始pH=5时，Ni和Co的去除率都很低，分别为72%﹑62.5%。随着pH值的升高，去除率也随之升高，当初始pH≥7时，随着pH值的升高,去除率趋于稳定，Ni的去除率达到99%，Co的去除率达到98%以上。酸性条件下不适于生成Al(OH)3以及铝多核羟基化合物，不能有效吸附和絮凝重金属离子，随着pH值的升高，生成的Al(OH)3以及铝多核羟基化合物较多，絮凝效果越好[19]。所以电絮凝处理重金属废水最好在碱性条件下。由表2可知，当pH=7.0时，Ni的去除率达到99.57%，但是处理后Ni浓度为2.9 mg/L，不满足国标GB25467—2010《铜﹑钴﹑镍工业污染源排放标准》中Ni≤0.5 mg/L﹑Co≤1.0 mg/L的排放要求。当初始pH=8时，处理后Ni浓度为0.3 mg/L，Co浓度为0.2 mg/L，完全满足国标排放要求，所以电絮凝最佳初始pH值为8.0。

2.2 极板间距对电絮凝效果的影响

在初始pH=8.0﹑电流密度15 mA/cm2﹑反应时间4 min条件下，考察电絮凝极板间距对重金属离子去除率的影响，结果如图2所示。

图2 极板间距对电絮凝效果的影响

由图2可知，极板间距在10～40 mm范围内，随着极板间距的增大，Ni和Co的去除率先增大后减小。极板间距20 mm时，Ni和Co的去除率最高，分别达到99.91%﹑98.64%。这是因为相同电流密度条件下，极板间距越小，电极溶蚀和电极工作表面利用越充分，效果也越好[20]。但极板间距小，极板间的电场分布不匀性增强，易引起短路反应，同时在同一电流密度下，间距越大，槽电压将升高[21]，电能消耗也变大，所以最佳极板间距为20 mm。

2.3 电流密度对电絮凝效果的影响

在初始pH=8.0﹑极板间距20 mm﹑反应时间4 min条件下，考察电流密度对重金属离子去除率的影响，结果如图3所示。

图3 电流密度对电絮凝效果的影响

由图3可知，随着电流密度的增大,Ni和Co的去除率增大。电流密度为5 mA/cm2时，Ni和Co去除率均小于65%，15 mA/cm2时，Ni和Co去除率最高，此后再增大电流密度，去除率上升高不明显，基本趋于稳定。这是由于电流密度越大，阳极板间产生的Al3+越多，阴极板产生更多的氢气泡，絮凝、气浮效果越好，处理效率越高。但当电流密度达到一定强度时，电解产生的Al3+越多，生成Al(OH)3以及铝多核羟基化合物也较多，絮凝效果越好，去除率越高。但当电流浓度再升高时容易形成胶体排斥，反而会降低絮凝能力，所以电絮凝最佳电流密度15 mA/cm2。

2.4 反应时间对电絮凝效果的影响

在初始pH=8.0﹑极板间距20 mm﹑电流密度15 mA/cm2﹑槽电压2.8 V条件下，考察反应时间对重金属离子去除率的影响，结果如图4所示。

图4 反应时间对电絮凝效果的影响

由图4可知，Ni和Co的去除率随着电絮凝时间的延长而增加，1～2 min内Ni和Co的去除率显著增长，反应时间在4～10 min内Ni的去除率增加趋于稳定，4 min时Ni的去除率已达到99.91%。4～10 min内Co的去除率缓慢提高，8 min时达到99.95%，之后趋于稳定。但4 min时Co的浓度为0.2 mg/L，符合Co≤1.0 mg/L的排放要求。由于反应时间越长电能消耗越高，所以在满足排放标准的前提下，4 min为较佳的反应时间。

电絮凝反应产生污泥较少，沉淀物显蓝绿色，对电絮凝处理4 min后的沉淀物干燥处理，分析了其中的Ni﹑Co﹑Al含量，结果见表3。

表3 沉淀物分析结果

表3分析结果中，沉淀物中Ni的含量达到61.20%，这和沉淀物蓝绿色外观相吻合。由于沉淀物中Ni含量较高，后期可以通过其它方法对其中的Ni进行回收或再利用。

3 结论

通过实验研究了电絮凝法对重金属废水处理的效果，分别考察了初始pH、电流密度、极板间距、反应时间等因素的影响，研究表明：

(1)随着pH值的升高，去除率也随之升高，当初始pH≥7时，Ni的去除率达到99%，Co的去除率达到98%以上。极板间距10～40 mm范围内，随着极板间距的增大，Ni和Co的去除率先增大后减小。极板间距20 mm时，Ni和Co的去除率最高，分别达到99.91%、98.64%。

(2)随着电流密度的增大,Ni和Co的去除率一直增加，当电流密度为15 mA/cm2时，Ni和Co去除率最高。Ni和Co的去除率随着电絮凝时间的延长而增加，4 min时Ni的去除率已达到99.91%，8 min时Co的去除率达到99.95%。

(3)重金属废水处理最佳条件为：初始pH=8.0﹑极板间距20 mm﹑电流密度15 mA/cm2﹑反应时间4 min，此时Ni去除率为99.91%，废水处理后Ni的浓度为0.3 mg/L，Co去除率98.64%，Co的浓度为0.2 mg/L，符合国标GB25467—2010《铜﹑钴﹑镍工业污染源排放标准》中Ni≤0.5 mg/L﹑Co≤1.0 mg/L的排放要求。

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