CN103936105B - 一种用于处理工业废水的电化学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水处理技术领域，涉及一种用于处理工业废水的电化学方法。该电化学方法以镁或镁合金作为阳极，可有效去除工业废水中的重金属元素。废水进入电化学装置后，镁阳极在电化学作用下产生的高活性氢氧化镁可高效地吸附废水中的重金属离子，并与水中的悬浊物结合，最后通过沉淀实现固液分离，达到净化废水的目的。该方法可同时去除工业废水中的锌、镉、铜、砷等重金属离子，去除率可达95％以上。与传统的铁、铝阳极电化学装置相比，镁阳极电化学装置具有极板不易钝化、耗电量低、废渣量少等优点，适用于冶金、采矿、电镀、金属加工等行业的废水处理。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种用于处理工业废水的电化学方法。
背景技术
随着工业的快速发展，水污染日益严重，已经成为当今社会不可回避的课题。由于废水中污染物的种类越来越复杂，国家对废水排放的控制也更加严格，传统的废水处理技术已经难以满足要求。
电化学法用于处理工业废水，具有处理效果好、废渣量少、水质适应性强等优点，可应用于包括电镀、选矿、冶炼、造纸、石油化工、纺织、食品饮料等多个行业的废水处理，具有广阔的应用前景。
目前的电化学装置一般采用铁或铝作为阳极，普遍存在以下问题：1)极板消耗不均匀，电压波动较大；2)极板容易钝化，导致耗电量较大，且性能可靠性降低；3)多种重金属离子共存时去除效果不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于处理工业废水的电化学方法，利用电化学作用及其产生的高活性氢氧化镁实现去除废水中重金属元素的目的。
本发明的技术方案是：
一种用于处理工业废水的电化学方法，采用镁或镁合金为阳极材料，不锈钢或石墨为阴极材料，利用电化学作用及其产生的高活性氢氧化镁实现去除废水中重金属元素。
所述的用于处理工业废水的电化学方法，该方法同时去除水中的锌、镉、铜、砷之一种或两种以上重金属离子，且不产生任何有害因素，静置澄清检测合格后即可排放。
所述的用于处理工业废水的电化学方法，该方法的具体工艺参数如下：
预调工业废水pH值为3～8，采用电流密度3～30mA/cm2，极板间距为5～15mm，电解时间为120～480s，出水静置时间不少于60min。
所述的用于处理工业废水的电化学方法，在电化学过程中，镁或镁合金阳极钝化不明显，除污性能稳定，且耗电量小，仅为铁阳极的60～80％，仅为铝阳极的30～40％。
所述的用于处理工业废水的电化学方法，与铁阳极电化学方法相比，在相同电流下产生的废渣重量少40～60％，废渣体积少20～35％。
本发明的设计思想是：
该方法的关键在于选用镁或镁合金作为阳极材料，其基本原理可用以下反应式表示：
阴极反应：2H++2e-→H2↑
阳极反应：Mg-2e-→Mg2+
Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓
镁阳极新生成的细小氢氧化镁具有很高的活性和比表面积，能够有效地吸附水中的重金属离子，并与水中的悬浊物一起形成易于沉淀的絮体而从水中分离出来。
现有技术中，一直没有人采用镁或镁合金作为处理工业废水的阳极材料，其原因在于：一方面，铁和铝的氢氧化物具有较好的稳定性，其吸附性能也得到比较广泛的研究，电化学方法一般首先考虑用铁和铝作为阳极材料；另一个原因是铁和铝作为最常用的金属材料，容易获得，且较为廉价。与铁、铝相比，镁及镁合金的研究和应用相对较少，制造技术有待提高，因此成本也较高。另外，氢氧化镁在水中的稳定性不如铁和铝的氢氧化物，其作为吸附剂的应用也较少，这也是同行们未优先考虑以它作为阳极材料的原因。
本发明从解决电化学方法处理工业废水时阳极材料易钝化、耗电量大、对部分重金属去除效果不佳等问题出发，寻找一种新的材料体系，希望能与现有电化学阳极材料实现互补，解决上述问题。通过研究发现，新生成的氢氧化镁具有很高的活性，能有效地吸附水中的重金属离子，并形成絮状物而沉淀，实现去除重金属的目的。电化学方法处理工业废水，流程简单，且耗时较短，工艺控制得当时氢氧化镁的稳定性不高并不会造成重金属回溶或二次污染，因此不影响使用。另一方面，随着镁及镁合金制造技术的日益成熟，其价格已大大降低，成本将不再成为限制其作为电化学阳极材料应用的重要因素。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明对废水中的锌、镉、铜、砷等多种重金属离子的去除率均可达到95％以上，出水重金属离子浓度可达排放标准。
2、采用本发明电极表面氧化膜均匀，电压稳定，性能可靠，多种重金属离子共存时仍能得到理想的处理效果。
3、采用本发明电耗低，处理每吨废水耗电量仅为铁、铝阳极的1/2和1/3。
4、采用本发明渣量少，每吨水仅产生固体废渣150～300g，在相同电流下条件比铁阳极少40～60％。
5、本发明提供的电化学方法在电化学作用下可有效去除水中的锌、镉、铜、砷等多种重金属离子，且多种重金属离子共存时处理效果不会出现明显下降。该电化学方法在去除废水中重金属离子的同时，不产生任何有害因素，出水静置澄清，检测合格后即可排放。
附图说明
图1(a)-图1(b)为连续工作96小时后铁阳极和镁阳极表面形貌图。其中，图1(a)铁阳极；图1(b)镁阳极。
图2为铁阳极和镁阳极在6mA/cm2电流密度下连续工作24小时后工作电压。
图3为铝、铁、镁阳极在不同电流密度下处理每吨水的耗电量比较。
图4(a)-图4(c)为铝、铁、镁阳极在6mA/cm2电流密度下对含锌、镉废水的处理效果比较。其中，图4(a)镁阳极；图4(b)铁阳极，图4(c)铝阳极。
图5为实施例5中连续电化学实验出水中的重金属离子浓度。
具体实施方式
本发明用于处理工业废水的电化学方法，采用镁或镁合金为阳极材料，不锈钢或石墨为阴极材料，利用电化学作用及其产生的高活性氢氧化镁实现去除废水中重金属元素的目的，并可同时去除水中的锌、镉、铜、砷等多种重金属离子，且不产生任何有害因素，静置澄清检测合格后即可排放。其中，
预调工业废水pH值为3～8(优选为5～7)，采用电流密度3～30mA/cm2(优选为5～15mA/cm2)，极板间距为5～15mm(优选为6～10)，电解时间为120～480s(优选为180～360s)，出水静置时间不少于60min(优选为60～120min)。
在电化学过程中，阳极钝化不明显，除污性能稳定，且耗电量小，仅为铁阳极的60～80％，铝阳极的30～40％。与铁阳极电化学装置相比，在相同电流下产生的废渣重量少40～60％，废渣体积少20～35％。
本发明中，可选择纯镁或任何牌号的镁合金作为阳极材料，其中以重金属(铜、镉、锌等)含量低的镁合金为好，比如：Mg99.00、Mg99.50、AZ40、AZ80、AZ31、AZ41或AK60等。
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述。
实施例1
某选矿厂含砷废水原始砷浓度为18.3mg/L，用生石灰调节pH值至5后，进入以镁板为阳极的电化学装置，电流密度使用6mA/cm2，极板间距为10mm，经240s电化学处理后，排放处理后的水至澄清池，经60min静置后，取样检测出水砷浓度为0.2mg/L，低于0.5mg/L的限值。重复试验10次以上，出水砷浓度均可达标。
实施例2
某厂电镀废水中铜、锌的原始浓度分别为19.5ppm和23ppm，用氢氧化钠调节pH值至6后，进入以镁合金板(本实施例中，镁合金牌号：AZ31)为阳极的电化学装置，电流密度使用8mA/cm2，极板间距为8mm，经300s电化学处理后，排放至澄清池，经60min静置后，取样检测出水中铜和锌的浓度值分别为0.6mg/L和0.2mg/L，低于国家《污水综合排放标准》中铜1mg/L，锌5mg/L的限值，符合排放标准。
实施例3
某冶炼厂废水中锌、镉超标，原始锌浓度为41mg/L，镉浓度为15.7mg/L，pH值为3.8。原水不经调pH值直接进入以镁合金板(本实施例中，镁合金牌号：AZ40)为阳极的电化学装置，极板间距为12mm，电流密度使用10mA/cm2，电解时间为360s，出水排放至澄清池后静置60min，取样检测出水中锌和镉的浓度值分别为0.4mg/L和0.07mg/L，符合排放标准。
相同参数下以铁为阳极时，出水中锌含量为0.53mg/L，镉含量为4.8mg/L，除镉性能受锌严重干扰，镉不能得到有效去除。
实施例4
某冶炼厂废水中锌浓度为107ppm，原水经预调pH值至5后进入以板(本实施例中，镁合金牌号：AZ31)为阳极的电化学装置，极板间距为5mm，电流密度使用8mA/cm2，电解时间为300s，出水排放至澄清池后静置60min，取样检测出水中锌的浓度值为2.3mg/L，符合国家《污水综合排放标准》中的二级和三级标准。
实施例5
用上述电化学装置处理实验室配制的锌、镉、铜、砷4种重金属离子共存的废水。原水pH值为6，锌、镉、铜、砷的浓度值分别为27.4mg/L、11.8mg/L、21.1mg/L、25.5mg/L。原水进入电化学装置后，电流密度使用12mA/cm2，极板间距为15mm，电解时间为480s，出水排放至澄清池后静置60min，取样检测出水中重金属离子浓度。结果表明，出水中锌、镉、铜、砷的浓度分别降至0.45mg/L、0.08mg/L、0.77mg/L和0.33mg/L，符合排放标准。
相同条件下，以铁为阳极时出水中锌、镉、铜、砷的浓度分别为0.47mg/L、2.1mg/L、0.04mg/L、0.11mg/L，镉浓度不达标。
为考察镁阳极电化学装置的稳定性，对其进行连续实验，并取样检测出水中的重金属离子浓度。结果表明上述电化学装置工作电压稳定(图2)，除重金属离子性能可靠(图5)，适合进行连续水处理。
如图1(a)-图1(b)所示，从连续工作96小时后铁阳极和镁阳极表面形貌图比较可以看出，铁阳极表面容易形成大块的锈片，容易引起钝化并阻止氢氧化物絮体产生。另外，大块锈片整体脱落可能会造成工作电压不稳定。
如图2所示，从铁阳极和镁阳极在6mA/cm2电流密度下连续工作24小时后工作电压比较可以看出，使用铁阳极时工作电压出现明显波动，而使用镁阳极时工作电压较平稳，且工作电压低于前者，功率仅为使用铁阳极时的70％。
如图3所示，从铝、铁、镁阳极在不同电流密度下处理每吨水的耗电量比较可以看出，相同条件下，三种电极的耗电量：铝阳极>铁阳极>镁阳极。
如图4(a)-图4(c)所示，从铝、铁、镁阳极在6mA/cm2电流密度下对含锌、镉废水的处理效果比较可以看出，在锌、镉共存时，使用铝阳极和铁阳极都难以去除水中的镉，而镁阳极可以同时对锌和镉产生很好的去除效果。
如图5所示，从实施例5中连续电化学实验出水中的重金属离子浓度可以看出，使用镁阳极可将废水中铜、锌、镉、砷的浓度全部降至排放标准以下，且性能稳定可靠。
实施例结果表明，本发明以镁或镁合金作为阳极，可有效去除工业废水中的重金属元素。废水进入电化学装置后，镁阳极在电化学作用下产生的高活性氢氧化镁可高效地吸附废水中的重金属离子，并与水中的悬浊物结合，最后通过沉淀实现固液分离，达到净化废水的目的。该方法可同时去除工业废水中的锌、镉、铜、砷等重金属离子，去除率可达95％以上。与传统的铁、铝阳极电化学装置相比，镁阳极电化学装置具有极板不易钝化、耗电量低、废渣量少等优点，适用于冶金、采矿、电镀、金属加工等行业的废水处理。
Claims (1)
1.一种用于处理工业废水的电化学方法，其特征在于，采用镁或镁合金为阳极材料，不锈钢或石墨为阴极材料，利用电化学作用及其产生的高活性氢氧化镁实现去除废水中重金属元素；其中，镁合金为Mg99.00、Mg99.50、AZ40、AZ80、AZ31、AZ41或AK60；
阴极反应：2H++2e-→H2↑，阳极反应：Mg-2e-→Mg2+，Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓；
该方法同时去除水中的锌、镉、铜、砷之一种或两种以上重金属离子，且不产生任何有害因素，静置澄清检测合格后即可排放；
该方法的具体工艺参数如下：
预调工业废水pH值为3～8，采用电流密度3～30mA/cm2，极板间距为5～15mm，电解时间为120～480s，出水静置时间不少于60min；
在电化学过程中，镁或镁合金阳极钝化不明显，除污性能稳定，且耗电量小，仅为铁阳极的60～80%，仅为铝阳极的30～40%；
与铁阳极电化学方法相比，在相同电流下产生的废渣重量少40～60%，废渣体积少20～35%。
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