周期换向电凝聚法处理模拟染料废水的能耗分析

王丽丽 杨 影 曹燕妮 付忠田

（1辽宁康宁环境监测评价有限公司 辽宁沈阳 110179 2东北大学设计研究院（有限公司）辽宁沈阳 110166 3辽宁省冶金地质勘查研究院有限责任公司 辽宁鞍山 114000 4东北大学资源与土木工程学院 辽宁沈阳 110819）

引言

众多的应用和实验研究结果表明，电凝聚法同化学混凝法相比，具有诸多优势，因此电凝聚水处理技术已经在各个领域得到了广泛的应用[1-5]。其缺点是当使用金属铝或者铁作为阳极时，容易出现阳极钝化影响处理效果的现象[6-7]，限制了该方法的实际应用，因而如何避免阳极钝化成为解决其实际应用的一个关键问题。周期换向电凝聚技术（Periodic commutation electrocoagulation method，PCEM）的基本原理是采用周期换向电源提供换向电流，两个反应电极分别为铝板和铁板，通过电解产生的Al3+、Fe2+和Fe3+溶解在废水时所具有的絮凝作用，以及H2、OH·及氢自由基等，利用各种物质的氧化还原作用去除废水中有机污染物、氨氮、重金属等污染物。经实践证明，PCEM技术能够避免传统电凝聚法存在的如阳极钝化等诸多问题，提高废水处理效率。虽然该工艺对污水的处理效果有所提高，但其能耗情况也是需要关注的问题，为此开展了周期换向电凝聚法处理模拟染料废水的能耗研究。

1 实验装置与方法

传统的电凝聚能耗研究，多采用测量电路两端电压和电流值并计算的方式，由于电凝聚过程中电流值随时波动，该方法并不准确。为此本研究过程中，利用电力工业所使用的高精度功率分析仪，精确测量记录电解过程发生转移的电荷数量和电能消耗情况，而极板消耗情况可以利用法拉第定律计算获得，因此可以得到该工艺处理模拟染料废水的全部能耗和物耗情况。

法拉第电解第一定律的主要内容是：电化学反应过程中，如两极通过的电量相同，则两极析出或溶解的不同物质的质量跟它们的电当量成正比，即：

式中：

m — 阳极上溶解金属的数量（g）；

q — 电量（C）；

t — 电流对通过水的作用时间（s）；

A— 溶解金属的原子量（g）；

F — 法拉弟常数（F=96491C/g当量）；

n — 金属价；

I — 通过的电流（A）；

W— 电功（J）；

U— 电路电压（V）。

2 实验结果与讨论

取500 mL浓度为600mg/L的活性艳蓝X-BR模拟染料废水，加入反应器中，进行模拟废水脱色和COD去除研究。此时的电极电压为10 V，支持电解质Na2SO4浓度为0.005 mol/L，搅拌速度为250r/min，极板间距为1.0cm，pH不调，经测定为5.4左右，能耗和去除效果随时间变化情况见表1。

表1 能耗和去除效果随时间变化情况

电能消耗随时间变化情况见图1。

图1 PCEM法处理活性艳蓝X-BR模拟染料废水消耗电能情况

通过数据拟合，获得的电能消耗拟合公式为y=79.92x -32.62，R2=1，严格符合线性规律。处理过程金属铁和铝极板溶出情况见图2。

图2 活性艳蓝X-BR模拟染料废水处理过程中电极金属溶出情况

对金属电极消耗情况以及反应时间分别进行线性拟合，结果分别为：y=0.002x-0.001，R2=1；y=0.008x-0.003，R2=1。

据此可知，采用PCEM法处理活性艳蓝X-BR模拟染料废水时，20min反应时间时消耗电能1.558w·h，铝极板消耗0.052193g，铁极板消耗0.162655g，去除单位质量的染料电能消耗为：7144.50w·h/kg（dye），金属铝阳极消耗的质量为239.34g/kg（dye），铁阳极消耗的质量为745.88g/kg（dye）。

结语

根据研究可知，采用PMEC法处理活性艳蓝X-BR模拟染料废水20min时，消耗电能1.558w·h，铝极板消耗0.052193g，铁极板消耗0.162655g，去除单位质量染料的电能消耗为：7144.4949w·h/kg（dye），金属铝阳极消耗的质量为239.340579g/kg（dye），铁阳极消耗的质量为745..884349/kg（dye）。