電絮凝-活性炭纖維吸附法處理電鍍廢水的研究

張條蘭,　方秀葦,　席會(huì)平

(河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山　467000)

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電絮凝-活性炭纖維吸附法處理電鍍廢水的研究

張條蘭,方秀葦,席會(huì)平

(河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山467000)

摘要：提出了以鋁板作為電極板，采用電絮凝法處理含鉻、鎳及銅電鍍廢水。研究了電流密度、處理時(shí)間、電極板間距和pH等因素對(duì)鉻、鎳及銅離子去除效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電流密度控制在5A/dm2，極板間距為2.0～2.5cm，電解時(shí)間控制在30min，pH在6～9范圍內(nèi),能達(dá)到較理想的去除效果。當(dāng)采用電絮凝-活性炭纖維吸附法處理混合電鍍廢水，對(duì)廢水中重金屬離子的去除率達(dá)到99.97%以上。

關(guān)鍵詞:電鍍廢水； 電絮凝； 去除率； 活性炭纖維

Study of Electroplating Wastewater Treatment by

Electrocoagulation-ACF Adsorption Method

ZHANG Tiaolan， FANG Xiuwei， XI Huiping

(He’nan Quality Polytechnic,Pingdingshan 467000,China)

Abstract:A method of Cr，Ni，Cu containing electroplating wastewater treatment was presented by using electrocoagulation method with aluminum anode.The effects of current density,treatment time,plate electrode spacing,pH and other factors on the removal efficiency were studied.The results showed that when the current density was 5A/dm2,plate electrode spacing was 2.0~2.5cm,treatment time was 30minute and pH was 6~9，the ideal removal effect could be achieved.When the mixed electroplating wastewater was treated by electrocoagulation-ACF adsorption method，the removal rate of heavy metal ions could reach to more than 99.97%.

Keyword: electroplating wastewater； electrocoagulation； removal rate； activated Carbon Fiber(ACF)

引言

電絮凝法作為一種較為成熟的電鍍廢水處理技術(shù)，具有去除效率高，去除污染物范圍廣，集氧化還原、絮凝和氣浮為一體、操作工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，不需添加化學(xué)絮凝劑，無(wú)二次污染等諸多其它物理、化學(xué)方法所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。電凝聚法是近年發(fā)展起來(lái)的頗具競(jìng)爭(zhēng)力的重金屬?gòu)U水處理方法，是利用電解氧化鐵板或鋁板等，生成Fe2+、Fe3+或Al3+，經(jīng)一系列水解、聚合成為多核氫基絡(luò)合物及氫氧化物，其作為絮凝劑對(duì)水中懸浮物及有機(jī)物進(jìn)行凝聚處理。同時(shí)，在電流作用下，水分子也會(huì)被電解，于陰陽(yáng)兩極分別產(chǎn)生氫氣和氧氣，水中未被絮凝體沉降的懸浮固體顆粒，與氫氣和氧氣結(jié)合形成密度小于水的電氣浮體，進(jìn)一步提高處理效果。其處理對(duì)象主要為高濃度電鍍廢水，且水樣的物理化學(xué)性質(zhì)本身對(duì)電絮凝處理效果影響顯著，因此根據(jù)不同廢水的性質(zhì)，將其與其他工藝結(jié)合起來(lái)將得到更好的去除效果[3-4]。活性炭纖維(ACF)是20世紀(jì)60年代隨碳纖維工業(yè)的發(fā)展逐步發(fā)展起來(lái)的高技術(shù)產(chǎn)品。與活性炭相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1)有豐富的微孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，數(shù)倍于活性炭，吸附容量大、吸附速率快、灰分少及處理量大；2)外表面積大，孔口多，易吸附；3)吸附行程短，使用時(shí)間長(zhǎng)，靈活方便。因而在廢水處理、貴金屬回收以及金屬離子痕量分析等方面有著廣泛的應(yīng)用[5-6]。本研究將電絮凝和活性炭纖維吸附兩種方法有機(jī)結(jié)合，有效地解決了混合復(fù)雜電鍍廢水的處理問(wèn)題。

1實(shí)驗(yàn)

1.1儀器與試劑

主要儀器有DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)，722型可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，PHS-2F型酸度計(jì)(上海第二分析儀器廠(chǎng))。

主要試劑及材料有氫氧化鈉，氯化鈉，去離子水，電鍍廢水(取自鄭州某電鍍廠(chǎng))，鋁片尺為寸45mm×55mm×3mm。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

取一定量的含Cr(Ⅵ)、Ni2+和Cu2+重金屬離子的電鍍廢水于電解槽(1000mL的普通燒杯)中，陰極、陽(yáng)極各為鋁制電極(45mm×55mm×3mm)，平行且垂直地放入燒杯中，鋁的純度為99%，用NaOH調(diào)節(jié)試樣的pH，加入1.0g NaCl以提高其電導(dǎo)率。接線(xiàn)后開(kāi)通電源，通過(guò)磁力攪拌器防止電解液產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，調(diào)整電壓、電流值。開(kāi)始計(jì)時(shí)，并定時(shí)每次取2mL水樣進(jìn)行分析。采用紫外分光光度計(jì)按GB/T7466-1987、GB/T11910-1989和GB/T7473-1987標(biāo)準(zhǔn)測(cè)Cr(Ⅵ)、Ni2+和Cu2+金屬離子的質(zhì)量濃度，計(jì)算金屬離子的去除率。廢水水質(zhì)如下：9.5～13.0mg/L Cr(Ⅵ)，400～600mg/L Ni2+，350～450mg/L Cu2+，pH 2~6。

取2.0g活性炭纖維于自制的容器(規(guī)格為250mm×130mm×150mm，厚度為0.5cm，有效容積4L)內(nèi)，電鍍廢水在室溫下以3mL/min的流速，自下而上緩緩流過(guò)活性炭纖維，充分吸附直到纖維被完全穿透即吸附容量達(dá)到飽和為止，測(cè)活性炭纖維對(duì)金屬離子的去除率。

2結(jié)果與討論

2.1電絮凝工藝研究

2.1.1電流密度對(duì)金屬離子去除率的影響

對(duì)電鍍廢水進(jìn)行電絮凝處理。處理t為30min，pH為8.0，電極板間距為2cm時(shí)，不同電流密度對(duì)金屬離子去除率的影響如圖1所示。

圖1　Jκ對(duì)金屬離子去除率的影響

由圖1可見(jiàn)，Jκ在1~5A/dm2之間變化時(shí),隨著電流密度的增加，銅離子、鉻離子和鎳離子的去除率逐漸增加，當(dāng)Jκ達(dá)到5A/dm2時(shí)，鎳離子、銅離子去除效率達(dá)到最大；繼續(xù)增大電流密度，Jκ在5A/dm2到6A/dm2之間，去除效率反而呈下降趨勢(shì)。其原因?yàn)殡娏魇请娦跄^(guò)程中極板溶解、絮凝及氣浮作用的動(dòng)力來(lái)源，除決定了絮凝劑的產(chǎn)生總量，還決定了氣泡產(chǎn)生速率。起初隨著電流密度的增大，絮凝劑產(chǎn)生量增多，氣泡產(chǎn)生速率變快，絮凝能力不斷加強(qiáng)，從而快速而有效地去除了重金屬離子[7]。

與此同時(shí)，陽(yáng)極的電流密度直接影響了陽(yáng)極氧化的反應(yīng)速率。在條件相同的情況下，隨著陽(yáng)極電流密度的增大，電化學(xué)反應(yīng)速率加快，但是電流密度的提高也會(huì)加快電極鈍化，當(dāng)Jκ超過(guò)6A/dm2時(shí)去除率降低是因?yàn)殡娏髅芏冗^(guò)大而加速了電極的極化和鈍化，引起了不必要的副反應(yīng)(如陽(yáng)極區(qū)形成的氧化鋁復(fù)合物覆蓋在陽(yáng)極表面，陰極區(qū)pH升高引起溶液中部分鈣離子、鎂離子以難溶物析出沉積在電極表面)，阻止電解反應(yīng)的進(jìn)行，影響了絮凝劑的生成，絮凝效果明顯下降[8-9]。另外，電流密度大則陰極產(chǎn)生的氫氣更多，氣泡更大，氣浮作用增大，故加劇了氣泡對(duì)絮凝體沖撞，同時(shí)較大氣泡更容易破裂，對(duì)絮凝體有剪切作用，從而導(dǎo)致絮凝效果下降。因此Jκ應(yīng)控制在5A/dm2為宜。

2.1.2處理時(shí)間對(duì)金屬離子去除率的影響

在電絮凝設(shè)備極板間距為2cm，Jκ為5A/dm2，pH為8.0，通過(guò)控制進(jìn)水流量使處理t分別為10、20、30、40、50和60min，不同處理時(shí)間對(duì)銅離子、鎳離子及鉻離子去除率的影響如圖2所示。

圖2　處理時(shí)間對(duì)金屬離子去除率的影響

由圖2可見(jiàn)，控制Jκ在5A/dm2的情況下，處理t從10min增加到25min時(shí)，設(shè)備對(duì)金屬離子的處理效率比較明顯。當(dāng)處理時(shí)間t達(dá)到30min時(shí)，金屬離子的去處效果達(dá)到最佳狀態(tài)。當(dāng)t超過(guò)30min后，處理時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)對(duì)去除率的提升并不明顯，去除率變化不大，趨于穩(wěn)定。這主要是電絮凝法的處理效果達(dá)到飽和臨界點(diǎn)，所以反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加，處理效果并不能無(wú)限增長(zhǎng)。另外，隨著時(shí)間增加，金屬極板容易發(fā)生鈍化形成一層疏松保護(hù)膜，影響鋁電極溶解和自由基的產(chǎn)生量，導(dǎo)致絮凝劑鋁離子產(chǎn)生量減少和氧化效果減弱，繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間對(duì)去除效果意義不大[9]。并且隨著時(shí)間的增加電能消耗增加，處理成本隨之增長(zhǎng)。因而處理時(shí)間控制在30min為宜。

2.1.3電極板間距對(duì)金屬離子去除率的影響

將電極板間距分別取為1、2、3、4和5cm，在pH為8.0，Jκ為5A/dm2，電絮凝t為30min條件下極間距對(duì)去除率影響如圖3所示。

圖3　電極板間距對(duì)金屬離子去除率的影響

由圖3可知，電極間距對(duì)電流影響最直接，電極間距小，電絮凝處理效果較好，能耗較低，但間距小不利于設(shè)備的加工；電極板間距增大則溶液電阻增大，導(dǎo)致耗能較高，且電絮凝效果也較差[10]。在極板間距為1~2cm時(shí)，三種離子的去除率增加，在極板間距為2.0～2.5cm銅離子的去除達(dá)到最大值。其原因是電極間距小，陰極區(qū)電解產(chǎn)生的氣體所形成的氣泡使在陽(yáng)極形成的復(fù)合物迅速上升，導(dǎo)致電極反應(yīng)加快，加速陽(yáng)極的鋁進(jìn)一步溶解，使金屬離子取得較好的去除效果[11]。當(dāng)極板間距大于3cm時(shí)，隨著極板間距繼續(xù)增加，金屬離子的去除率減小。原因可能是極板間距過(guò)小，溶液在極板間的交換量減少，絮凝團(tuán)塊容易在極板間堆積阻塞，這不僅降低了絮凝團(tuán)的有效接觸面積，不利于絮凝沉淀，導(dǎo)致去除效果差，還易引起極板短路[11]。隨著極板間距繼續(xù)增加，離子遷移距離逐漸增加，遷移阻力增大容易造成濃度差極化，電流用來(lái)克服阻力導(dǎo)致利用率低下，處理效果降低。極板間距越大，電壓相應(yīng)越高，電能消耗也越大。

2.1.4pH對(duì)金屬離子去除率的影響

控制電極的極板間距為2cm，Jκ為5A/dm2，通電t為30min，將電鍍廢水的pH分別調(diào)到4.0、5.0、6.0、7.0、8.0和9.0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較金屬離子去除率的變化，結(jié)果如圖4。

圖4　pH對(duì)金屬離子去除率的影響

由圖4可見(jiàn)，電絮凝法對(duì)金屬離子的去除率隨pH的增大而提高，當(dāng)pH為6~9時(shí)，金屬離子的去除率達(dá)到94%以上且保持平穩(wěn)。初始pH大于9時(shí)，隨pH的增大，鉻離子的去除率減小。其原因是電絮凝對(duì)金屬離子的處理首先是在電場(chǎng)的作用下陽(yáng)極溶解生產(chǎn)鋁離子，再經(jīng)過(guò)水解反應(yīng)生成氫氧化鋁及其多核膠體，從而絮凝捕獲金屬離子及其氫氧化物。因?yàn)闅溲趸X的兩性，pH對(duì)其膠體的形成影響較大，因而pH對(duì)處理效果的影響比較大，尤其是在電絮凝過(guò)程中的影響更加明顯[11-13]。因此，pH宜控制在6~9之間。pH為9時(shí)，鉻離子的去除效果最好，進(jìn)一步增大pH，鉻離子的去除率又降低，是由于氫氧化鉻也是兩性氫氧化物。GB 21900-2008規(guī)定電鍍廢水的排放pH為6～9，如果pH>9，排放時(shí)還需調(diào)整pH，提高了成本，降低了經(jīng)濟(jì)效益，綜合考慮，pH控制在6.0～9.0為宜。

2.2結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證廢水處理設(shè)施的可靠性，對(duì)電鍍廢水中Ni2+、Cu2+和總鉻的質(zhì)量濃度進(jìn)行為期80h的連續(xù)監(jiān)控，表1～表3為監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表1廢水處理前后Ni2+的質(zhì)量濃度變化

t(監(jiān)控)/h1020304050607080處理前ρ(Ni2+)/(mg·L-1)450490510580600550530520電絮凝處理后ρ(Ni2+)/(mg·L-1)28.529.430.634.836.027.525.930.8活性碳纖維吸附處理后ρ(Ni2+)/(mg·L-1)0.1620.0980.1530.1640.1200.1650.1060.156

表2廢水處理前后總鉻的質(zhì)量濃度變化

t(監(jiān)控)/h1020304050607080處理前ρ(總鉻)/(mg·L-1)101310101112159電絮凝處理后ρ(總鉻)/(mg·L-1)0.500.650.500.600.440.480.600.27活性碳纖維吸附處理后ρ(總鉻)/(mg·L-1)0.0300.0390.0300.0300.0220.0360.0450.018

表3廢水處理前后Cu2+的質(zhì)量濃度變化

t(監(jiān)控)/h1020304050607080處理前ρ(Cu2+)/(mg·L-1)450420430450400410380350電絮凝處理后ρ(Cu2+)/(mg·L-1)22.522.021.527.024.027.622.821.6活性碳纖維吸附處理后ρ(Cu2+)/(mg·L-1)0.1350.1260.1280.1350.1200.1380.1150.108

由表1、表2和表3可以看到，電絮凝后的電鍍廢水Ni2+的質(zhì)量濃度為30mg/L左右，總鉻的質(zhì)量濃度為0.6mg/L左右，Cu2+的質(zhì)量濃度為25mg/L左右，處理效果較好。但處理后的廢水未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。雖然Ni2+、Cu2+和總鉻的質(zhì)量濃度在電絮凝處理和活性碳纖維吸附前出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但對(duì)后續(xù)處理均未產(chǎn)生明顯的影響。在電絮凝前，Ni2+、Cu2+和總鉻的質(zhì)量濃度分別在400～600mg/L、350～450mg/L和9.0～13.0mg/L之間波動(dòng)。經(jīng)電絮凝處理后，Ni2+、Cu2+和總鉻的質(zhì)量濃度分別下降至30、25和0.6mg/L左右。隨著溶液中金屬離子質(zhì)量濃度的逐漸降低，電絮凝工藝的去除效果不再變化。當(dāng)進(jìn)一步用活性炭碳纖維吸附處理后，Ni2+、Cu2+和總鉻去除率均達(dá)到99.97%以上，Ni2+、Cu2+和總鉻的質(zhì)量濃度分別降低至0.16、0.13和0.03mg/L左右，均符合電鍍廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)論

1)采用電絮凝-活性炭纖維吸附法處理含Ni2+、Cu2+和Cr(Ⅵ)電鍍廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳電絮凝工藝條件為：Jκ控制在5A/dm2，pH為6～9，極板間距為2.0～2.5cm，電解t為30min，能達(dá)到較理想的去除效果，金屬離子去除率達(dá)到最佳值。

2)電絮凝在處理高濃度混合電鍍廢水時(shí)，金屬離子去除效果較好，但廢水中各金屬離子均未達(dá)到電鍍廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

3)采用電絮凝-活性炭纖維吸附聯(lián)合工藝處理混合電鍍廢水，能有效地對(duì)含高濃度金屬離子電鍍廢水進(jìn)行處理，金屬離子去除率均達(dá)到99.97%以上，且達(dá)到電鍍廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

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中國(guó)表面工程協(xié)會(huì)電鍍分會(huì)教育培訓(xùn)基地2016年兩期(總70、71期)

電鍍技術(shù)、真空鍍膜技術(shù)、化驗(yàn)員、電鍍廢水治理學(xué)習(xí)班開(kāi)學(xué)通知

一、招生對(duì)象及培養(yǎng)目標(biāo)

初中以上文化水平,具有一定生產(chǎn)知識(shí)的技術(shù)骨干,通過(guò)學(xué)習(xí)掌握電鍍基礎(chǔ)知識(shí)，常用工藝，真空離子鍍技術(shù),電鍍液及電鍍廢水的治理、分析方法，鍍層測(cè)試技術(shù)等。

二、開(kāi)設(shè)科目、學(xué)習(xí)方法、證書(shū)頒發(fā)及工作推薦

學(xué)習(xí)班開(kāi)設(shè)《電鍍化學(xué)基礎(chǔ)》、《電化學(xué)與電鍍?cè)怼?、《電鍍工藝學(xué)》、《電鍍液及電鍍廢水化學(xué)分析》、《電鍍測(cè)試技術(shù)》、《鍍層質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法》、《電鍍廢水治理》、《真空離子鍍技術(shù)》等八門(mén)課程。開(kāi)設(shè)30~35個(gè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)，請(qǐng)專(zhuān)家進(jìn)行專(zhuān)題講座，并組織學(xué)員赴國(guó)內(nèi)先進(jìn)地區(qū)參觀，學(xué)習(xí)期滿(mǎn)經(jīng)考試合格者，可頒發(fā)中國(guó)電鍍協(xié)會(huì)結(jié)業(yè)證書(shū)。經(jīng)相應(yīng)考核或?qū)＜掖疝q評(píng)審后可報(bào)請(qǐng)國(guó)家人力資源和社會(huì)保障部批準(zhǔn)后,頒發(fā)國(guó)家職業(yè)資格(自初級(jí)工至高級(jí)技師的五級(jí))證書(shū)，作為工作上崗的資格證明。協(xié)助推薦工作及赴外研修,參加國(guó)家職業(yè)資格考試的學(xué)員也均獲得了高、中級(jí)資格證書(shū)，並正在進(jìn)行技師及高級(jí)技師的答辯評(píng)審(具有三年以上高級(jí)工工齡的請(qǐng)聯(lián)系報(bào)名),還有部分學(xué)員推薦赴國(guó)內(nèi)外研修及工作。

三、開(kāi)學(xué)具體事項(xiàng)

學(xué)習(xí)時(shí)間：笫70期:2016年4月24日至6月5日;第71期:2015年9月25日至11月6日;每期共42天。

學(xué)習(xí)費(fèi)用：培訓(xùn)費(fèi)(含實(shí)驗(yàn)費(fèi)、資料費(fèi))3800元(不含稅)(中途退學(xué)者不退)。

食宿安排：食宿由公司安排費(fèi)用自理，標(biāo)準(zhǔn)由各單位決定，學(xué)員每天食宿控制在45元以?xún)?nèi)(培訓(xùn)基地每天只收15元住宿衛(wèi)生服務(wù)費(fèi),30元?dú)x費(fèi)自己控制,若開(kāi)發(fā)票不含稅)。

聯(lián)系方法：濟(jì)南市歷城區(qū)大橋路6號(hào),濟(jì)南世紀(jì)金聲科技公司院內(nèi)郵編250108(或濟(jì)南市歷山路96號(hào)，山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院郵偏250013)

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開(kāi)學(xué)時(shí)間：70期:2016年4月24日全天報(bào)到,71期:9月25日全天報(bào)到，次日正式上課。參加學(xué)習(xí)班者請(qǐng)開(kāi)學(xué)前15天將回執(zhí)寄至聯(lián)系人(或電話(huà)通知聯(lián)系人)，以便安排學(xué)習(xí)資料、食宿，來(lái)校時(shí)請(qǐng)帶1寸彩色免冠照片2張，參加國(guó)家人力資源部職業(yè)資格考核者請(qǐng)帶身份證，最后學(xué)歷證明及二寸彩色免冠照片5張(具有高級(jí)工三年以上者申報(bào)技師及高級(jí)技師的學(xué)員另外索取資料)。

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收稿日期：2015-06-30修回日期： 2015-09-15

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.02.010