電浮選凝聚法處理污水的實(shí)驗(yàn)條件探究

摘要：針對電浮選凝聚法處理污水實(shí)驗(yàn)效果不夠理想的問題，采用簡單比較法對電浮選凝聚法處理污水的實(shí)驗(yàn)條件（包括電極連接方式、氯化鈉加入量、碳棒根數(shù)、電壓等）分別進(jìn)行了探究，得出最佳實(shí)驗(yàn)條件，旨在為中學(xué)化學(xué)教師順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在10 V電壓下，使用三電極（用鋁片作陰極，用鐵片和石墨電極作陽極）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在230 mL污水中，加入5.0 g氯化鈉，碳棒數(shù)量在2～3根平行捆綁時，實(shí)驗(yàn)效果最佳。

關(guān)鍵詞：污水處理；電浮選凝聚法；實(shí)驗(yàn)條件探究；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2013）10–0042–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

電浮選凝聚法處理污水是人教版高中化學(xué)選修6《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》中的實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生能了解其原理和裝置，認(rèn)識化學(xué)在解決污染問題中的作用，形成環(huán)保意識。電浮選凝聚法處理污水是通過電解的方式，陽極Fe失電子生成Fe2+，F(xiàn)e2+進(jìn)一步被氧化為Fe3+，F(xiàn)e（OH）3有吸附性，可吸附污物沉積下來（凝聚）；陰極產(chǎn)生氫氣，氣泡將污水中懸浮物帶到水面形成浮渣層（浮選），以達(dá)到凈水的目的[1]。但是，該實(shí)驗(yàn)在中學(xué)中較難達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果，存在以下不足：①耗時長；②電解時陽極鐵失電子產(chǎn)生的Fe2+，只有少量被氧化為Fe3+，凝聚效果不理想[2]。

針對這些問題，研究者們主要從浮選和凝聚的角度提出了改進(jìn)方法。具體如下：

為了增強(qiáng)浮選效果，研究者主要提出以下兩種改進(jìn)方案：①使用旋轉(zhuǎn)電極[3]；②添加表面活性劑SDS[4]。使用旋轉(zhuǎn)電極，是通過攪拌的方式，促進(jìn)浮選；而添加表面活性劑，可增強(qiáng)懸浮顆粒與氣泡的粘附程度，從而提高浮選效果。為了達(dá)到較好的凝聚效果，研究者們主要提出了以下幾種改進(jìn)方案：①增大電極面積；②減小電極距[5]；③加電解質(zhì)NaCl或Na2SO4，以增強(qiáng)污水的導(dǎo)電性[6]；④外加氧化劑H2O2等，促使2價鐵轉(zhuǎn)化為3價鐵，提高凝聚效果；⑤采用三電極，即：鐵片和石墨共同作為陽極，鋁片作為陰極，陽極石墨的作用為產(chǎn)生氧氣或氯氣（電解質(zhì)為氯化鈉時），提高Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+的效率[7]。這些改進(jìn)方案中仍存在以下問題：①表面活性劑SDS以及旋轉(zhuǎn)電極在中學(xué)較少見，且會增加實(shí)驗(yàn)成本以及實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性；②采用三電極（鐵片和石墨共同作為陽極，鋁片作為陰極）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，石墨電極連接幾根碳棒可達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果？③添加H2O2會造成實(shí)驗(yàn)成本增加，不添加是否也可達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果？④電解質(zhì)氯化鈉合適的加入量為多少？

針對上述問題，筆者及實(shí)驗(yàn)同組人員進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)探究。

1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 實(shí)驗(yàn)原理采用三電極（鐵片和石墨共同作為陽極，鋁片作為陰極）時，電極反應(yīng)如下：

陰極（Al片）：2H++2e-=H2↑陽極（Fe片）：Fe-2e-=Fe2+

（石墨）：2Cl--2e-=Cl2↑

2Fe2++6H2O+Cl2=2Fe（OH）3↓+2Cl-+6H+陽極產(chǎn)生的氫氧化鐵對雜質(zhì)吸附使之沉降；陰極產(chǎn)生的氫氣在上浮過程中，將污水中懸浮的雜質(zhì)帶到水面上[8]。這就是電浮選凝聚法（三電極）處理污水的原理。

1.2 儀器與藥品

說明：三個電極在不相互接觸情況下，電極之間距離越小越好。本實(shí)驗(yàn)中采用在硬紙板上打孔的方式，固定電極之間距離為2 cm，電極排列次序依次為鐵片、碳棒、鋁片。二電極即去掉中間石墨電極，以鐵片為陽極、鋁片為陰極。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 三電極有效性的探究

按1.3中裝置圖及說明連接實(shí)驗(yàn)儀器→配制污水（約230 mL自來水中，加入1滴墨水）→加入電解質(zhì)氯化鈉5 g→調(diào)節(jié)pH為6→接通電源、調(diào)節(jié)電壓約為10 V，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察記錄現(xiàn)象。（注：18滴=1 mL）

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，分別采用由紙板固定的二電極（平行放置Fe片和Al片，距離約4 cm）和三電極（在距離4 cm的Fe片和Al片中間平行放置由5根碳棒捆綁而成的石墨電極），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示（見表1）：陽極石墨的引入增加了氯氣的生成量，提高了Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+的效率，三電極處理污水效果明顯優(yōu)于二電極。

2.2 氯化鈉加入量的探究

實(shí)驗(yàn)步驟同2.1。

采用2.1三電極有效性探究實(shí)驗(yàn)中的三電極裝置和污水，在10V電壓下，僅改變氯化鈉加入量，探究其最佳加入量。

在試做過程中得出，加入0.2 g、1 g、2 g氯化鈉時，分層所需時間較長；加入10 g氯化鈉時，氣泡產(chǎn)生劇烈，分層時間較短，但浮選和凝聚效果較差；綜合考慮時間和效果，加入4～7 g氯化鈉時較好。因此，本次實(shí)驗(yàn)中分別稱取氯化鈉4 g、5 g、6 g、7 g，加入污水再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論（見表2）：采用三電極，在10 V電壓下對230 mL自來水滴加1滴碳素墨水配制而成的污水進(jìn)行處理時，加入氯化鈉5 g，實(shí)驗(yàn)效果最佳。

2.3 石墨電極碳棒根數(shù)的選擇

實(shí)驗(yàn)步驟同2.1。

采用上述實(shí)驗(yàn)（2.2）所得最佳實(shí)驗(yàn)條件：10 V電壓、三電極、230 mL污水中加入5 g氯化鈉，分別選用由1根、2根、3根、5根碳棒捆綁而成的石墨電極，觀察并比較通電2min30s時各組實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（見表3）：石墨電極用量在2～3根碳棒平行捆綁時，處理后污水顏色較淺且較澄清，實(shí)驗(yàn)效果較碳棒數(shù)為1根、5根時更優(yōu)。

2.4 電壓的選擇

實(shí)驗(yàn)步驟同2.1。

考慮到部分中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件有限，因此，筆者及同組人員采用上述實(shí)驗(yàn)所得最佳條件（三電極、5 g氯化鈉、2根碳棒捆綁而成的石墨電極），在更低的電壓（6 V、8 V）下進(jìn)行了該實(shí)驗(yàn)，觀察記錄現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（見表4）：在6 V電壓下，3min30s時污水明顯分層；在8 V電壓下，3 min時污水明顯分層。均可達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，但中間層的澄清效果，與10 V電壓時相比較差。

3 結(jié)論

本文在前人基礎(chǔ)上，結(jié)合考慮了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、藥品等條件，以實(shí)驗(yàn)裝置簡便、實(shí)驗(yàn)成本盡量低為原則，從影響實(shí)驗(yàn)效果的各個因素入手，探究了實(shí)驗(yàn)最佳條件，以確保其能在高中課堂中順利進(jìn)行。綜上討論，電浮選凝聚法中使用三電極處理污水時較二電極處理效果明顯提高，中間層更澄清，懸浮物較少；使用三電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，用鋁片作陰極，用鐵片和石墨電極作陽極，在230 mL污水中，加入5.0 g氯化鈉，碳棒數(shù)量在2～3根平行捆綁時，實(shí)驗(yàn)效果最佳，在電壓為9 V左右時，均可達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1][6]人民教育出版社課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心﹒普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·實(shí)驗(yàn)化學(xué)（選修6）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2][7]吳星，呂琳，謝蘇晉.“污水處理——電浮選凝聚法”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”[J].化學(xué)教育，2009，（8）：59～60.

[3]孫家壽，錢仁俊.電浮選法處理選磷廢水的研究[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報，1993，15（4）：23～27.

[4]賀國旭，朱廣東，邵會波.電浮選法在處理含重金屬離子廢水中的應(yīng)用[J].濕法冶金，2011，30（3）：201～204.

[5]馬生明，鐘佐燊，王守偉，吳昆明.電凝聚法處理含苯并三唑廢水的條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)[J].地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2012，37（2）：337-344.

[8]袁來德.“污水處理——電浮選凝聚法”剖析[J].中學(xué)生數(shù)理化（高二），2011，（12）：30～31.