關(guān)于電化絮凝法處理超細(xì)煤塵顆粒應(yīng)用的研究

謝秀紅，潘建新

（1.江蘇省技術(shù)產(chǎn)權(quán)交易所江蘇南京210008;2.江蘇地坤環(huán)保科技有限公司，江蘇宜興 214206）

0 技術(shù)研究背景

目前國內(nèi)外的煤水處理設(shè)備，主要用于大中型發(fā)電廠及煤礦和輸煤棧橋碼頭輸煤沖洗中產(chǎn)生的煤污水，主要工藝為加藥靜態(tài)混合、機(jī)械攪拌反應(yīng)、沉降分離和過濾等工序。在此工藝基礎(chǔ)上組成的煤水處理設(shè)備，經(jīng)大唐西固電廠、山西平朔煤矸石電廠和華潤常熟電廠的使用，出水水質(zhì)基本能達(dá)到排放要求，但SS在70 mg/l左右徘徊，根據(jù)目前電廠建設(shè)零排放的要求，用于處理回用顯然不能滿足要求。通過對電化絮凝法用于煤水處理中的研究，解決了國內(nèi)現(xiàn)有煤水處理設(shè)備對超細(xì)煤塵無機(jī)固體顆粒的去除因工藝的局限性導(dǎo)致出水無法達(dá)標(biāo)，處理回用更是不可能的難題。

電化凝絮是對經(jīng)過常規(guī)凈化后的水進(jìn)一步凈化的一種處理技術(shù)。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)電化凝絮不僅能除濁、脫色，還能去除水中的重金屬離子和細(xì)菌，同時對去除水中的有機(jī)物也有一定的效果。它用于超細(xì)煤塵無機(jī)固體顆粒的技術(shù)處理，能使超細(xì)煤塵無機(jī)固體顆粒得以分離、進(jìn)行有效治理。

1 電化絮凝法處理超細(xì)煤塵顆粒應(yīng)用的技術(shù)原理

電化凝絮是利用電化學(xué)方法產(chǎn)生氫氧化物作為凝絮物的一種工藝。作為陽極，在電流作用下，陽金屬離子進(jìn)入水中與水電解產(chǎn)生的氫氧根形成氫氧化物，氫氧化物絮凝將雜質(zhì)顆粒吸附，生成絮狀物，而產(chǎn)生沉淀。

a）基本原理（圖1）

圖1 電化絮凝法原理圖

b）作為金屬陽極可以是鋁或鐵

1）如鋁作為陽極時，當(dāng)直流電源通電后，陽極金屬放電生成為金屬離子并進(jìn)入水中，即:Al—3e → Al3+

水被電解:H2O→H++OH－

帶正電荷的氫離子在陰極上獲得電子成為氫氣。

并有負(fù)電荷的氫氧根離子向陽極移動，并在陽極放電，生成新生態(tài)的氧。4 OH－－4e—＞2H2O+2［O］

在陰極產(chǎn)生氫氣氣泡，在陽極產(chǎn)生氧氣氣泡，這些氣泡上升時，就能將懸浮物帶到水面，于是在水面形成了浮渣層，帶到水面的物質(zhì)增多后，浮渣層就變密或變厚。過程中產(chǎn)生的Al3+與OH－反應(yīng)生成Al（OH）3，這是一種活性很強(qiáng)的凝絮劑。

2）如果以鐵作為陽極，可能發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是:

鐵的溶解:Fe－2e→Fe2+

Fe2+與OH－反應(yīng)生成氫氧化亞鐵:Fe2++2 OH－→Fe（OH）2（沉淀）

Fe（OH）2氧化成氫氧化鐵，它也是一種強(qiáng)活性凝絮劑。

反應(yīng)生成的氫氧化鋁或氫氧化鐵，與水中的懸浮顆粒生成絮狀物，這些絮狀物相對密度Υ小于1時就上浮分離，相對密度Υ大于1時就向下沉淀分離［1］。

c）電化凝絮還有共沉淀作用。電化凝絮產(chǎn)生的Fe（OH）3與水中的金屬氫氧化物共沉淀，如果鋁做陽極時，形成的Al（OH）3還能吸附水中的硅化物和氟化物。同時，在陰、陽極處可發(fā)生氧化、還原作用，還可以去除水中的一些有害物質(zhì)，如氰根被氧化變成CO2和N2而去除，水中Cr6+通過還原成毒性較小的三價鉻。

d）工藝流程對比分析

原有工藝流程見圖2。

對上述的電化凝絮凈水裝置應(yīng)用于煤污水中超細(xì)煤塵無機(jī)固體顆粒的處理，在同一主體內(nèi)首先利用投藥混凝對含煤污水中的大顆粒物質(zhì)進(jìn)行絮凝反應(yīng)，分離出大部份濁度，剩余的超細(xì)顆粒及膠體物進(jìn)入電凝絮裝置，以徹底去除水中的濁度和有機(jī)物，經(jīng)沉淀工藝，處理后的水即可達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)，再通過濾床過濾吸附后使水質(zhì)達(dá)到回用水的要求。本工藝單一處理流程中僅用原水提升泵產(chǎn)生的水頭來滿足裝置內(nèi)各工作點(diǎn)的水力條件。

2 電化絮凝法處理超細(xì)煤塵顆粒的主要研究內(nèi)容

a）優(yōu)化電化絮凝器在煤水處理中的應(yīng)用

將煤泥水置于直流電場中，可以看到:煤泥水中懸浮微粒向正極移動，并沉積在正極板上。由此說明，煤泥中懸浮物微粒帶負(fù)電荷。懸浮物微粒帶電的原因主要有:1）煤泥顆粒晶格缺陷;2）煤泥膠體微粒表面對溶液中離子吸附;3）煤泥微粒表面的溶解;4）煤泥膠體微粒表面分子的電離。綜上所述，制約煤泥微粒沉降的原因主要有:懸浮微粒闊的靜電斥力，介質(zhì)粘滯阻力等，此外還有微粒間多分子范德華引力。微粒水化膜特性等因素，對懸浮物微粒沉降也起一定的制約作用。而且，粒徑越小比表面能越大，重力對微粒沉降作用越小，各種表面現(xiàn)象越明顯，對懸浮微粒沉降的制約作用也越大。

因此在通入直流電進(jìn)入水中的過程中，就同時有兩個作用:一個是產(chǎn)生的氣體將懸浮物帶到水面形成浮渣層進(jìn)行分離，另一個反應(yīng)生成的氫氧化鐵是強(qiáng)活性凝絮劑，可以使懸浮小顆粒凝絮起來，依靠相對密度的不同上浮分離或沉淀分離。提高了沉淀設(shè)施的凈化效率，并能改善沉渣的脫水性能。以后在研發(fā)過程中還需對電化絮凝器的絮凝效果進(jìn)一步優(yōu)化，對煤污水的處理機(jī)理進(jìn)行分析對比，為公司的發(fā)展及創(chuàng)新打下一個堅實(shí)的基礎(chǔ)。

b）進(jìn)一步優(yōu)化絮凝池控制工藝——星形折板絮凝

研究粒子的凝聚和長大過程，須關(guān)注粒子間的作用力。DLVO理論是目前公認(rèn)的粒子間作用力模型，比較復(fù)雜的粒子間作用力模型有簡單硬球模型、排斥力心勢能函數(shù)、方阱硬球模型、Sutherland硬球模型、白金漢勢能模型等。不管何種模型，均承認(rèn)絮凝過程中，粒子間主要存在三種作用力，它們是Van der Waals多分子引力（色散力）、擴(kuò)散雙電層斥力和Born斥力。這些力的綜合作用在粒子周圍形成了勢壘或者說排斥能峰。投加絮凝劑可降低膠體粒子吸附電荷數(shù)量，達(dá)到降低排斥能峰的目的。不管排斥能峰如何被絮凝劑的作用所降低，投加絮凝劑后，排斥能峰仍然存在，并且表現(xiàn)為絮體凝聚所需克服的阻力。絮凝動力學(xué)的任務(wù)就是為絮凝池中的粒子提供運(yùn)動接觸條件，并提供粒子克服排斥能峰所需的動能。

研究絮凝過程，主要解決如下問題:1）絮凝池中粒子的接觸碰撞次數(shù);2）絮凝池中粒子的有效碰撞次數(shù)。撇開流場不談，首先需要在流場中形成粒子時平均狀態(tài)的最大平均相對運(yùn)動速度，其次要求解決碰撞時的相對運(yùn)動速度差，并保障所提供動能超過粒子排斥勢壘，以形成盡量多的有效碰撞［2］。

絮凝過程與混合過程既有相同點(diǎn)，又各具特點(diǎn)。絮凝過程中的粒子尺度范圍從膠體尺度跨越至mm量級，絮凝過程關(guān)心的問題也由混合過程的擴(kuò)散問題轉(zhuǎn)變?yōu)楦雨P(guān)心粒子的凝聚和長大。

絮凝池中，由于粒子尺度的增大，不能如混合過程一樣忽略粒子的跟隨性，需綜合考慮梯度凝聚和慣性凝聚。對尺度、密度較小的粒子，粒子跟隨性仍然很好，梯度凝聚仍然是主要的，隨粒子尺度和密度的增大，粒子跟隨性逐漸變差，慣性凝聚成為主要因素。

粒子碰撞和有效碰撞要求粒子之間存在速度差，這個速度差可以通過紊流渦旋利用梯度凝聚和慣性凝聚產(chǎn)生。小粒子隨水流一同運(yùn)動，而大粒子跟隨性不好，這樣不同粒徑和密度的粒子沿水流運(yùn)動方向產(chǎn)生速度差。在離心慣性力作用下，粒子受到垂直于運(yùn)動方向的渦旋離心慣性力作用，也會產(chǎn)生速度差，形成碰撞［3］。

強(qiáng)化梯度凝聚和慣性凝聚，以達(dá)到強(qiáng)化絮凝效果的目的，解決方法仍歸結(jié)于紊流渦旋控制。與混合過程不同的是，絮凝池由于粒子尺度的增加，有效渦旋的范圍發(fā)生了變化。對粒子運(yùn)動影響最大的是與粒子量級相近的那些渦旋，渦旋的產(chǎn)生與流動空間尺度、流動邊界密切相關(guān)，與流動速度的關(guān)系極大。因此，在絮凝池中需控制渦旋強(qiáng)度和渦旋尺度，使有效渦旋尺度逐漸增大。為防止絮體破碎，還需適當(dāng)控制流動剪切力，這就形成了絮凝池的水力分級機(jī)制［2］。綜上所述，目前在設(shè)備中應(yīng)用的星形折板絮凝設(shè)備在今后的研發(fā)中對設(shè)備的排列及翼片的設(shè)置都需投入人力、物力及財力進(jìn)行進(jìn)一步的研究，使該設(shè)備更完善，絮凝效果更明顯。

c）優(yōu)化電化絮凝器的電流參數(shù)

目前通電量為333 A·h/m3，電流密度為100 A/m2時，電化凝絮器對煤污水中超細(xì)煤塵無機(jī)固體顆粒的去除率達(dá)91.7%，出水時煤水流量在SS≤8 mg/h;為了得到更好的出水水質(zhì)，需對電絮凝裝置的槽電壓進(jìn)一步優(yōu)化，槽電壓由以下幾部分組成:理論分解電壓、陽極過電位、陰極過電位、電解液歐姆壓降。金屬部分的歐姆壓降。除理論分解電壓外，其余各項(xiàng)因素都與電流密度有復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。在槽電壓相同時，鐵電極的電流密度大于石墨電極，遠(yuǎn)大于鋁電極。在實(shí)驗(yàn)條件下鋁電極很快就會鈍化。石墨電極的表觀分解電壓高于鐵電極的表觀分解電壓。在相同電流密度下，高溶液電導(dǎo)對應(yīng)的槽電壓較低，而且隨著的電流密度增加，不同溶液電導(dǎo)率下的槽電壓差別增大。在槽電壓相同時，隨著電極板間距的增加，電流密度逐漸減小。不同電極板間距下鐵電極的電流密度曲線均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，而且其表觀分解電壓值相差不大。鐵電極的電壓梯度與電極板間距之問存在良好的線性關(guān)系。

由此可發(fā)現(xiàn)影響廢水濁度去除率的主要因素是通電量。得到一個合理的通電量，達(dá)到更高的出水水質(zhì)，使之更經(jīng)濟(jì)，更合理，是以后重點(diǎn)要開展的工作。

d）進(jìn)一步研究電極的性能結(jié)構(gòu)、壽命及制造工藝。

電絮凝器的電極主要特點(diǎn)是:使用了可溶性電極和一般用鐵作陽極，不銹鋼篩網(wǎng)或板作陰極。極板材料不同，電解時產(chǎn)生的膠體絮凝劑種類不同，因此對煤泥水的絮凝效果也不同.極板間距是指相鄰兩極極間的垂直距離。應(yīng)用結(jié)果說明，極距越小，單位容積內(nèi)陽極面積越大，電流效率越高，絮凝效果越好。針對應(yīng)用煤泥水處理的電極材料和極板間距的進(jìn)一步研究，優(yōu)化它們的性能結(jié)構(gòu)及制造工藝，是今后工作的重點(diǎn)。

3 技術(shù)效果分析

此技術(shù)在七臺河精煤電廠、大連開發(fā)區(qū)熱電廠二期建設(shè)中進(jìn)行試用，并對該設(shè)備進(jìn)行測試，各項(xiàng)性能優(yōu)越，出水指標(biāo)已能達(dá)到排放及回用的要求其測試結(jié)果為:進(jìn)水SS≤5 000 mg/l時，出水SS≤12 mg/l;進(jìn)水SS≤3 000 mg/l時，出水SS≤7 mg/l?，F(xiàn)場測試表明，該技術(shù)研究具有廣闊的市場前景和技術(shù)推廣價值。且該設(shè)備裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，不需要使用藥劑，維護(hù)操作方便和實(shí)現(xiàn)自動化容易的優(yōu)點(diǎn)。

［1］薛金鳳，馬彥濤，李寧.處理電鍍廢液的新型絮凝劑的研究［J］.重慶環(huán)境科學(xué)，2002，（4）.

［2］李國紅，石寶友，王東升，等.Al_（13）凝聚絮凝特性初探［A］.中國化學(xué)會第八屆水處理化學(xué)大會暨學(xué)術(shù)研討會論文集，2006.

［3］王愛民，楊立紅，張素娟，等.電化學(xué)方法治理含染料廢水的現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.工業(yè)水處理，2001，（8）.

［4］鄭曦.高鐵絮凝劑的電合成及其在染料廢水處理中的應(yīng)用［J］.福建師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，（3）.