电化学技术在电镀重金属污水处理中的应用研究

黄常亮

（广州市科翔环保有限公司，广东 广州 510000）

引 言

21世纪以来，我国工业获得了前所未有的高速发展，但工业废水排放量与日俱增，尤其是作为全球三大重污染物之一的电镀废水。电镀就是通过电解方法在导电体制件的表面镀上一层金属，从而增强导电体制件的耐磨性与抗腐蚀性，在此过程中会产生大量毒性较大且极难降解的重金属污水。据不完全统计，我国电镀企业每年排放的电镀重金属污水高达80亿吨，给水环境造成严重污染。一般来说，电镀重金属污水的成分非常复杂，含有大量的铬、锌等重金属离子，如果不进行处理直接排入河道，会影响水环境的pH值，导致河道水体自净能力降低，而且污水中的重金属离子会消耗河道水体中的溶解氧，导致河道中的生物因窒息而亡。与此同时，如果人、畜等饮用了含有大量电镀重金属离子的河道水，将会影响自身代谢，严重的会直接中毒，所以电镀重金属污水的处理是我国电镀行业面临的重大挑战。

现阶段，通过吸附、过滤、沉淀等物理手段将污染物从体系中分离出来的物理法，在电镀重金属污水处理中得到了广泛应用。这类物理法操作简单，但存在回收困难、处理成本较高等缺陷，不利于电镀重金属污水处理的可持续发展。因此，本文针对电化学技术在电镀重金属污水处理中的应用展开深入研究，有助于解决电镀行业造成的水污染问题。

1 实验准备

1.1 实验用水

本次实验水主要为人工模拟的电镀重金属污水，具体来说是在生活废水中加入一些具有代表性的电镀重金属离子[1]。首先，在实验室内收集日常清洗产生的污水，如洗手、清洗容器等的废水，然后向污水中添加重金属污染物离子。本文综合考虑电镀行业排放污水的实际情况与标准，选取镍（Ni）、铬（Cr）、锌（Zn）、铅（Pb）、锡（Sn）作为电镀重金属污水的特征污染物，且每一种特征重金属离子的浓度均为2 mg/L。将上述重金属离子加入原始废水中，搅拌均匀即可完成本次实验采用的模拟电镀重金属污水的制备。

1.2 实验试剂与仪器

本次实验主要采用电化学技术，进行电镀重金属污水处理，实验过程中使用的主要试剂和材料如表1所示，本次实验使用的主要仪器设备如表2所示。

表1 主要实验试剂和材料

1.3 实验方法与过程

相对于物理与生物法的局限性，电化学技术在电镀重金属污水处理方面具有极大潜能，所以本次实验主要采用电化学技术中的电催化氧化方法，进行电镀重金属污水处理。电催化氧化方法是以电为催化剂、H2O2为氧化剂，对电镀污水中的重金属离子污染物进行降解，将其转化为低毒、易分解的小分子有机物。根据电镀重金属离子反应机理可知，在进行电化学催化时会发生直接与间接两种氧化反应，其中直接氧化就是利用电极阳极具有高电位的特性，促使电镀重金属离子和电极之间进行直接的电磁传递，此时阳极表面吸附的氧化剂就会将电镀重金属离子氧化降解。间接氧化，简单来说就是在电化学催化过程中会生成中间产物，这类中间产物具有较强的氧化性，可以作为催化剂继续参与电镀重金属离子的氧化降解。在对电镀重金属污水进行电催化氧化时，不仅产生的降解物结构简单，能够避免二次污染，而且操作方便，有利于电镀污水的大规模自动化处理[2]。本文基于电化学技术进行电镀重金属污水处理的具体流程如下：首先，采用不锈钢板、BDD电极、电源等设备搭建如图1所示的实验装置。

图1 电镀重金属污水处理实验装置

如图1所示，在搭建电镀重金属污水电化学催化氧化实验装置时，选择一种性能稳定、反应活性较高的电极材料是确保实验顺利展开的关键，所以本文将BDD电极板当作阳极材料，并将不锈钢板当作阴极材料，使这两个电极板呈平行状态，间距约2 cm，置于磁力搅拌器上，并通过一个直流稳压稳流的电源为其供电。当实验装置设置完毕后，将制备的模拟电镀重金属污水与氧化剂放入反应容器中，在室温下打开电源进行电化学催化氧化反应，反应过程中及时记录下电流与电压等参数的变化，并在反应一段时间后定时取样，用于测定污水中电镀重金属离子浓度的变化，从而掌握电镀重金属离子的降解效果。关于电镀污水中重金属离子浓度的测定，本次实验主要采用高效液相色谱仪进行测定。将污水样品振荡离心后，取上清液，进行消解操作，并在消解后的溶液冷却时，滴定硫酸亚铁铵溶液，从而得到污水样品中的电镀重金属离子浓度。在电镀重金属污水处理完成后，为判断电催化氧化方法的实际应用效果，本文以重金属离子去除率为实验指标[3]，计算公式如式（1）：

式中，η表示电镀污水中重金属离子的去除率；Qi、Q′i分别表示电镀污水中重金属离子的初始与反应后的浓度。本次实验采用电催化氧化技术来处理电镀重金属污水，并通过式（1）所求的重金属离子去除率来反映重金属离子的降解效果。

2 实验结果

2.1 电流密度对重金属去除效果的影响

首先，在其他实验条件一致的情况下，实验通过改变电流密度的大小，对不同电流密度下电镀重金属离子的去除效果进行探究。电流密度是单位时间内通过电极单位面积的电量，本次实验将电流密度分别设置为10 A/cm2、20 A/cm2、30 A/cm2、50 A/cm2、80 A/cm2、100 A/cm2，在电催化氧化反应结束后，分别测定不同电流密度下的电镀重金属离子浓度，计算出离子去除率，实验结果见表3。

表3 不同电流密度下电镀重金属污水处理结果

从表3可以看出，在电镀重金属污水的电催化氧化反应中，不同电流密度下的重金属离子去除效果不同，其去除率均随着电流密度的增加而增大。当电流密度在50 A/cm2时，各电镀重金属离子的去除率存在显著变化，而当电流密度超过50 A/cm2时，其去除率变化较小，其中电流密度为50 A/cm2时，其离子平均去除率为96.9%；电流密度为为100 A/cm2时，平均去除率为97.4%，二者之间仅有0.5%的差距。所以，综合考虑电催化氧化技术的能耗与电镀重金属污水处理的经济效益，50 A/cm2的电流密度被确定为电镀重金属污水电催化氧化反应的最佳实验参数。

2.2 氧化剂浓度对重金属去除效果的影响

电镀重金属污水在电催化氧化反应中，氧化剂过氧化氢产生的中间产物·OH是重金属离子的主要氧化物质，与电镀污水中重金属离子发生氧化还原反应，达到降解重金属离子的目的。本文主要探究氧化剂过氧化氢浓度对电镀污水中重金属离子去除效果的影响[4]。在其他实验条件一致的情况下，将过氧化氢的浓度分别调整为1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 g/L，此时获得不同氧化剂浓度下电镀污水中重金属离子的去除率，结果见表4。

表4 不同氧化剂浓度下电镀重金属污水处理结果

从表4可以看出，不同氧化剂浓度下的重金属离子去除率各不相同。随着氧化剂浓度的不断增加，电镀污水溶液的氧化电位呈上升状态，带动溶液电导率不断升高，污水中各重金属离子的去除率明显增大，且当氧化剂浓度较大时，污水溶液中自由移动的离子变多，移动速度加快，促进了电催化氧化反应速度加快，使重金属离子去除率显著提高。当氧化剂浓度超过6 g/L时，由于电镀污水溶液的氧化性趋于饱和状态，虽然不断添加氧化剂，但重金属离子去除率的变化并不明显。所以在电镀重金属污水电催化氧化过程中，可以通过适当增加氧化剂浓度来提高处理效果，但添加过多只会造成浪费，不利于重金属离子的氧化还原反应，所以选择6.0 g/L的氧化剂浓度作为最佳实验参数，此时各金属离子的平均去除率高达96.6%。

2.3 初始pH值对重金属去除效果的影响

不同电镀重金属污水的酸碱性强弱不同，所以本文主要探究电镀重金属污水初始pH值对重金属离子去除效果的影响。在保持其他实验条件不变时，将电镀污水的初始pH值从1逐渐增大至14，并记录不同pH值下重金属离子的去除率，结果见图2。

图2 不同初始pH值下电镀重金属污水处理结果

从图2可以看出，在电镀重金属污水的电催化氧化反应中，电镀污水初始pH值不同时，各重金属离子的去除率均不一致。当电镀污水溶液的初始pH值在1～7范围内，电镀污水中各重金属离子的去除率随pH值的增大而增大，且当电镀污水初始pH值为7时，各重金属离子的平均去除率为96.8%。当电镀污水溶液的初始pH值在7～14范围内，电镀污水中各重金属离子的去除率随pH值的增大而减小。由此可以说明，如果电镀污水为酸性或碱性，重金属离子的氧化还原活性较差，所以其降解效果较差；如果电镀污水为中性，重金属离子降解效果较好，所以污水初始pH值为7，是电镀重金属污水电催化氧化反应的最佳实验参数。

3 结论

综上，本文基于电化学技术展开电镀重金属污水处理实验，并以电为催化剂、H2O2为氧化剂，利用电催化氧化反应处理电镀重金属污水，达到降解重金属离子的目的，并得到以下结论：当电流密度从10 A/cm2增加至50 A/cm2时，电镀污水中各重金属离子去除率明显升高，当电流密度从50 A/cm2增加至100 A/cm2时，各重金属离子去除率上升不明显，所以将50 A/cm2作为最佳电流密度；当氧化剂浓度不断增加时，电镀污水中重金属离子去除率逐渐增大，但过量的氧化剂使污水呈强氧化性，不利于重金属离子降解，所以6.0 g/L为电镀重金属污水电催化氧化反应的最佳氧化剂浓度；如果初始电镀污水溶液呈酸性或碱性，重金属离子的氧化还原活性较弱，不利于降解反应，只有初始电镀污水酸碱度适中，重金属离子的去除率才能达到最大值，所以7为电镀重金属污水电催化氧化反应的最佳pH值。