實(shí)驗(yàn)室廢水處理裝置研究與設(shè)計(jì)

李延秀　劉學(xué)文　馬國(guó)立

摘要 實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常產(chǎn)生有害氣體、液體或固體，直接排出則污染周圍的空氣和水源，危害環(huán)境，危害人體健康，為此設(shè)計(jì)試制了實(shí)驗(yàn)室廢水處理裝置。該裝置分酸性系統(tǒng)和堿性系統(tǒng)兩部分，酸性系統(tǒng)利用原電池原理處理重金屬離子，并提供部分電能；堿性系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能和部分酸性系統(tǒng)電能，對(duì)堿性廢水中的重金屬離子進(jìn)行電解，形成沉淀物或浮渣，實(shí)現(xiàn)廢水的污染物減量和無(wú)害化。運(yùn)行結(jié)果表明，該裝置具有較好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 廢水；原電池；電解池；太陽(yáng)能

中圖分類號(hào) S181.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）15-216-02

Research and Design of Laboratory Waste Water Treatment Device

LI Yanxiu1， LIU Xuewen1*， MA Guoli2*

（1. Resources and Environment Department of Binzhou University， Binzhou， Shandong 256603； 2. Department of Optical Engineering of Binzhou University， Binzhou， Shandong 256603）

Abstract The harmful gas， liquid or solid， often occur in the experiment， the direct discharge is around the air and water， it harms the environment and human health， so the laboratory waste water treatment device is designed. The device is divided into two parts of acidic and alkaline system， the acidic system treat heavy metal ions by primary battery principle and provide part of the energy， basic system electrolysis heavy metal ions of alkaline wastewater using electricity of solar cells and part of electric energy of acid system， the pollutants of waste water become deposits or scum， then achieve the goal of pollutant reduction and harmless treatment of waste water. The running result shows that the device has good popularization and application prospect.

Key words Waste water； Primary battery； Electrolytic cell； Solar energy

實(shí)驗(yàn)室廢水因水量小、污染物種類復(fù)雜等原因常稀釋后排放，對(duì)其綜合處理的相關(guān)研究較少。實(shí)驗(yàn)室廢水的處理不同于工業(yè)污水處理，只能采用多單元處理系統(tǒng)進(jìn)行分類處理，才能降低處理難度和處理費(fèi)用，簡(jiǎn)化操作。常見(jiàn)廢水處理技術(shù)包括生物法和物化法，對(duì)有機(jī)物濃度高、毒性強(qiáng)、水質(zhì)水量不穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室廢水，生物法處理效果不理想，物化法具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1-2]。物化法可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室廢棄物分類處理和可用物質(zhì)的回收循環(huán)再利用，不僅減少化學(xué)藥品的浪費(fèi)，更重要的是減輕環(huán)境污染。

筆者針對(duì)實(shí)驗(yàn)室廢水中污染物含量高和離子、有機(jī)物排放量大的現(xiàn)狀，研制了無(wú)外接能源的水處理系統(tǒng)，試制了選擇性好、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、成本較低的可去除重金屬、有機(jī)物等的新型水處理系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 水處理系統(tǒng)

1.1.1 酸性系統(tǒng)。利用原電池原理，設(shè)置鐵棒與碳棒相間林立，形成多個(gè)小型原電池，主反應(yīng)是鐵置換酸性廢水中的重金屬離子。

負(fù)極反應(yīng)：Fe-2e-→Fe2+，F(xiàn)e2+-e- →Fe3+；

正極反應(yīng)：Sn、Pb、H、Cu、Hg、Ag、Pt、Au等離子先后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)單質(zhì)，沉積于碳棒或以氣體形式冒出。

1.1.2 堿性系統(tǒng)。利用電解原理[3]，陰陽(yáng)極分別用鋁板和鐵板。通過(guò)電解池將溶液中的金屬離子還原為單質(zhì)附著在陰極上。

陽(yáng)極反應(yīng)：Fe-2e-→Fe2+，F(xiàn)e2+-e-→Fe3+；

陰極反應(yīng)：可反應(yīng)的金屬離子（包括氫離子）。

1.2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，通過(guò)供電、用電兩系統(tǒng)的對(duì)接參數(shù)，確定壓差、流速等條件，優(yōu)化通量和回收率參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較低運(yùn)行成本、不需外接能源的研究目標(biāo)。

2 流程說(shuō)明

2.1 廢水處理部分

通過(guò)pH探頭檢測(cè)，利用電磁閥控制對(duì)酸堿性廢水的分流處理（圖1），保證處理效果，降低處理成本。

酸性廢水處理單元：存在能用鐵置換的重金屬離子時(shí)，通過(guò)鐵棒和碳棒收集儲(chǔ)存反應(yīng)所產(chǎn)生的電能，送至太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的蓄電池，廢水pH漸變至中性，此時(shí)反應(yīng)生成的鐵離子可變?yōu)榫哂行跄饔玫乃衔?，吸附并沉降廢水中的有機(jī)物和重金屬離子。堿性廢水處理單元：重金屬離子發(fā)生電解反應(yīng)時(shí)，鐵離子可在堿性條件下產(chǎn)生絮凝作用，處理廢液中的有機(jī)物或離子。另外，需解決放大實(shí)驗(yàn)中廢水水質(zhì)變化帶來(lái)的設(shè)備適應(yīng)性問(wèn)題。

2.2 太陽(yáng)能供電單元

提高供電、用電兩系統(tǒng)的匹配合理性，提高太陽(yáng)能供電系統(tǒng)效率效果，優(yōu)化直流、交流轉(zhuǎn)換效率。具體電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

3 單元工作性能分析

3.1 酸性原電池

鐵-碳之間形成了無(wú)數(shù)個(gè)小型原電池，電位低的鐵為正極，電位高的碳為負(fù)極，在酸性廢水中發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，鐵發(fā)生氧化反應(yīng)變成二價(jià)或三價(jià)鐵離子進(jìn)入廢水，被還原的金屬沉積在負(fù)極上，反應(yīng)不斷進(jìn)行，pH逐漸升高，鐵離子與氫氧根作用形成具有混凝作用的氫氧化物，與污水中帶負(fù)電荷的污染物顆粒相吸，形成絮凝物（也叫鐵泥）而沉降[4-5]。

負(fù)極：Fe-2e-→Fe2+，F(xiàn)e2+-e-→Fe3+；

正極：Sn、Pb、Cu、Hg、Ag、Pt、Au等離子還原為單質(zhì)。

理論上講，只要活性低于鐵的，都可能被置換出來(lái)，從而達(dá)到除去重金屬的目的。

3.2 堿性電解池

接電源正極的電極，可從溶液中接受電子，輸送給外部電源，稱為陽(yáng)極，另一端為陰極。廢水中的陰離子向陽(yáng)極遷移，并在陽(yáng)極上釋放電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；陽(yáng)離子則向陰極遷移，并從陰極上獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)。

使用鋁或鐵作為陽(yáng)極時(shí)，Al和Fe被氧化，逐漸以離子狀態(tài)溶入廢水中，因pH大于7，極易生成氫氧化物，成為混凝劑，進(jìn)而對(duì)各種懸浮物、膠體實(shí)現(xiàn)沉淀處理。

當(dāng)電極自身不參與反應(yīng)時(shí)，在陽(yáng)極、陰極表面可生成氫氣和氧氣，并以微小氣泡形式逸出，氣泡上升的過(guò)程中，可以吸附到顆粒污染物上，產(chǎn)生氣浮分離的效果，廢水中的污染物可以以浮渣形式去除[6]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選擇化學(xué)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)廢水為酸性的含硫酸銅廢水，經(jīng)過(guò)該裝置處理后，廢水pH升

至6.8，廢水顏色也由淺淡藍(lán)色變?yōu)榻鼰o(wú)色，裝置全自動(dòng)運(yùn)行，操作較簡(jiǎn)單，具體反應(yīng)為：

正極：Cu2++2e-→Cu，2H++e-→H2；負(fù)極：Fe-2e-→Fe2+，F(xiàn)e2+-e-→Fe3+。

反應(yīng)結(jié)果：廢水中的銅離子減少，鐵離子增加，廢水中的銅離子被鐵置換，使廢水顏色由淺淡藍(lán)色變?yōu)閹缀鯚o(wú)色。廢水中的氫離子也被部分置換，使廢水的pH不斷變大，進(jìn)而鐵離子與氫氧根離子生成具有混凝作用的氫氧化物，部分有機(jī)物也因絮凝作用而沉降，所以水體明顯變清[7]，經(jīng)測(cè)定，達(dá)到排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

該裝置試制時(shí)采用了全自動(dòng)控制系統(tǒng)，處理工藝簡(jiǎn)潔，操作方便，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后認(rèn)為處理效果良好，其優(yōu)勢(shì)主要在于：①率先采用“太陽(yáng)能系統(tǒng)+先進(jìn)水處理技術(shù)”的工藝處理廢水，不需要外接能源，符合國(guó)家節(jié)能減排以及污染物資源化的污染治理方針；②率先采用多類型集成水處理技術(shù)，經(jīng)技術(shù)完善和優(yōu)化后，可望實(shí)現(xiàn)一套裝置同時(shí)面向多種廢水的處理模式；③易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，避免了人為操作失誤，增加了操作的可靠性，減少了工作量，降低了人力成本，具有較好的市場(chǎng)推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張建梅.重金屬?gòu)U水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].西安聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，2（6）：55-59.

[2] 孟詳和.重金屬?gòu)U水處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：21-25.