電絮凝法處理重金屬冶煉廢水的研究

楊鴻鷹， 張國(guó)輝， 馮黨衛(wèi)， 王玲燕

(1.陜西省工業(yè)水處理工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710054; 2.陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院， 陜西 西安 710054; 3.西安昊芯環(huán)境技術(shù)有限公司， 陜西 西安 710075)

重金屬?gòu)U水主要來自有色金屬冶煉﹑電鍍﹑皮革加工和部分化工企業(yè)等。重金屬污染物通常具有急性或慢性毒性，無法通過自凈作用消失，但可通過生物食物鏈富集，引起人和動(dòng)物腎臟、生殖系統(tǒng)、肝臟、腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等功能的紊亂[1]。重金屬?gòu)U水若不加以有效處理而排放，將對(duì)人的健康和生態(tài)安全帶來極大危害。水體重金屬污染已成為全球最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。

處理廢水中重金屬的方法很多，有絮凝法[1]﹑化學(xué)沉淀法[2]﹑吸附法[3-5]﹑離子交換法[6-7]﹑生物法[8-9]﹑膜法[10-11]﹑微電解法[12]等。

電絮凝法為近年來頗有競(jìng)爭(zhēng)力的一種污水處理工藝，此工藝操作簡(jiǎn)單，效率高，不添加絮凝劑，是一種環(huán)境友好型水處理工藝，已被用于處理生活污水[13]﹑電鍍廢水[14]﹑重金屬?gòu)U水[15-16]﹑造紙廢水[17]﹑含油污水[18]。本實(shí)驗(yàn)采用電絮凝法對(duì)金屬冶煉廢水進(jìn)行處理，優(yōu)化了初始pH﹑極板間距﹑電流密度﹑反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)條件，取得了良好的處理效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用水與儀器

實(shí)驗(yàn)用水來自于某冶煉廢水，廢水水質(zhì)見表1。

表1 廢水水質(zhì)

檢測(cè)儀器：美國(guó)Thermo Fisher 6300 ICP分析儀，哈希HQ40d分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

電絮凝實(shí)驗(yàn)裝置為自制設(shè)備，電絮凝反應(yīng)槽尺寸為400 mm×200 mm×200 mm，電極板采用鋁極板，尺寸為150 mm×100 mm×3 mm，10塊平板電極排列在反應(yīng)槽內(nèi)，間距為20 mm。污水通過磁力泵進(jìn)行循環(huán)，污水進(jìn)入后開始循環(huán)，通電后調(diào)整到所需電流開始計(jì)時(shí)，隔一段時(shí)間后取樣100 mL，靜置10 min后取清液測(cè)試Ni和Co含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始pH值對(duì)電絮凝效果的影響

在極板間距20 mm﹑電流密度15 mA/cm2﹑槽電壓2.8 V﹑反應(yīng)時(shí)間4 min條件下，用0.1 mol/L鹽酸和0.1 mol/L氫氧化鈉調(diào)節(jié)廢水的pH值，考察廢水初始pH值對(duì)重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖1所示，處理后水質(zhì)見表2。

圖1 初始pH值對(duì)電絮凝效果的影響

pH值5.06.07.08.09.0處理后廢水含Ni/mg·L-182.611.82.90.30.1Ni去除率/%64.2494.8999.5799.9199.96處理后廢水含Co/mg·L-16.42.30.40.20.1Co去除率/%70.9189.5598.1898.6499.55國(guó)標(biāo)Ni/mg·L-1≤0.5Co/mg·L-1≤1.0

由圖1可知，當(dāng)初始pH=5時(shí)，Ni和Co的去除率都很低，分別為72%﹑62.5%。隨著pH值的升高，去除率也隨之升高，當(dāng)初始pH≥7時(shí)，隨著pH值的升高,去除率趨于穩(wěn)定，Ni的去除率達(dá)到99%，Co的去除率達(dá)到98%以上。酸性條件下不適于生成Al(OH)3以及鋁多核羥基化合物，不能有效吸附和絮凝重金屬離子，隨著pH值的升高，生成的Al(OH)3以及鋁多核羥基化合物較多，絮凝效果越好[19]。所以電絮凝處理重金屬?gòu)U水最好在堿性條件下。由表2可知，當(dāng)pH=7.0時(shí)，Ni的去除率達(dá)到99.57%，但是處理后Ni濃度為2.9 mg/L，不滿足國(guó)標(biāo)GB25467—2010《銅﹑鈷﹑鎳工業(yè)污染源排放標(biāo)準(zhǔn)》中Ni≤0.5 mg/L﹑Co≤1.0 mg/L的排放要求。當(dāng)初始pH=8時(shí)，處理后Ni濃度為0.3 mg/L，Co濃度為0.2 mg/L，完全滿足國(guó)標(biāo)排放要求，所以電絮凝最佳初始pH值為8.0。

2.2 極板間距對(duì)電絮凝效果的影響

在初始pH=8.0﹑電流密度15 mA/cm2﹑反應(yīng)時(shí)間4 min條件下，考察電絮凝極板間距對(duì)重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 極板間距對(duì)電絮凝效果的影響

由圖2可知，極板間距在10～40 mm范圍內(nèi)，隨著極板間距的增大，Ni和Co的去除率先增大后減小。極板間距20 mm時(shí)，Ni和Co的去除率最高，分別達(dá)到99.91%﹑98.64%。這是因?yàn)橄嗤娏髅芏葪l件下，極板間距越小，電極溶蝕和電極工作表面利用越充分，效果也越好[20]。但極板間距小，極板間的電場(chǎng)分布不勻性增強(qiáng)，易引起短路反應(yīng)，同時(shí)在同一電流密度下，間距越大，槽電壓將升高[21]，電能消耗也變大，所以最佳極板間距為20 mm。

2.3 電流密度對(duì)電絮凝效果的影響

在初始pH=8.0﹑極板間距20 mm﹑反應(yīng)時(shí)間4 min條件下，考察電流密度對(duì)重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電流密度對(duì)電絮凝效果的影響

由圖3可知，隨著電流密度的增大,Ni和Co的去除率增大。電流密度為5 mA/cm2時(shí)，Ni和Co去除率均小于65%，15 mA/cm2時(shí)，Ni和Co去除率最高，此后再增大電流密度，去除率上升高不明顯，基本趨于穩(wěn)定。這是由于電流密度越大，陽(yáng)極板間產(chǎn)生的Al3+越多，陰極板產(chǎn)生更多的氫氣泡，絮凝、氣浮效果越好，處理效率越高。但當(dāng)電流密度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，電解產(chǎn)生的Al3+越多，生成Al(OH)3以及鋁多核羥基化合物也較多，絮凝效果越好，去除率越高。但當(dāng)電流濃度再升高時(shí)容易形成膠體排斥，反而會(huì)降低絮凝能力，所以電絮凝最佳電流密度15 mA/cm2。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)電絮凝效果的影響

在初始pH=8.0﹑極板間距20 mm﹑電流密度15 mA/cm2﹑槽電壓2.8 V條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)電絮凝效果的影響

由圖4可知，Ni和Co的去除率隨著電絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，1～2 min內(nèi)Ni和Co的去除率顯著增長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間在4～10 min內(nèi)Ni的去除率增加趨于穩(wěn)定，4 min時(shí)Ni的去除率已達(dá)到99.91%。4～10 min內(nèi)Co的去除率緩慢提高，8 min時(shí)達(dá)到99.95%，之后趨于穩(wěn)定。但4 min時(shí)Co的濃度為0.2 mg/L，符合Co≤1.0 mg/L的排放要求。由于反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)電能消耗越高，所以在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，4 min為較佳的反應(yīng)時(shí)間。

電絮凝反應(yīng)產(chǎn)生污泥較少，沉淀物顯藍(lán)綠色，對(duì)電絮凝處理4 min后的沉淀物干燥處理，分析了其中的Ni﹑Co﹑Al含量，結(jié)果見表3。

表3 沉淀物分析結(jié)果

表3分析結(jié)果中，沉淀物中Ni的含量達(dá)到61.20%，這和沉淀物藍(lán)綠色外觀相吻合。由于沉淀物中Ni含量較高，后期可以通過其它方法對(duì)其中的Ni進(jìn)行回收或再利用。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究了電絮凝法對(duì)重金屬?gòu)U水處理的效果，分別考察了初始pH、電流密度、極板間距、反應(yīng)時(shí)間等因素的影響，研究表明：

(1)隨著pH值的升高，去除率也隨之升高，當(dāng)初始pH≥7時(shí)，Ni的去除率達(dá)到99%，Co的去除率達(dá)到98%以上。極板間距10～40 mm范圍內(nèi)，隨著極板間距的增大，Ni和Co的去除率先增大后減小。極板間距20 mm時(shí)，Ni和Co的去除率最高，分別達(dá)到99.91%、98.64%。

(2)隨著電流密度的增大,Ni和Co的去除率一直增加，當(dāng)電流密度為15 mA/cm2時(shí)，Ni和Co去除率最高。Ni和Co的去除率隨著電絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，4 min時(shí)Ni的去除率已達(dá)到99.91%，8 min時(shí)Co的去除率達(dá)到99.95%。

(3)重金屬?gòu)U水處理最佳條件為：初始pH=8.0﹑極板間距20 mm﹑電流密度15 mA/cm2﹑反應(yīng)時(shí)間4 min，此時(shí)Ni去除率為99.91%，廢水處理后Ni的濃度為0.3 mg/L，Co去除率98.64%，Co的濃度為0.2 mg/L，符合國(guó)標(biāo)GB25467—2010《銅﹑鈷﹑鎳工業(yè)污染源排放標(biāo)準(zhǔn)》中Ni≤0.5 mg/L﹑Co≤1.0 mg/L的排放要求。

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