CN106396032B - 基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺及其控制系统 - Google Patents

基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺及其控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺及其控制系统,通过计量泵泵入一定量的含铜废水进入电除铜装置，利用电吸附耦合电沉积法，在电除铜装置中实现含铜废水脱铜，当处理后含铜废水中的铜离子浓度低于设定值，排至清水池；当处理后含铜废水中的铜离子浓度高于设定值，排至储存槽；当储存槽水位在一定时间内保持一定值，即表明含铜废水中的铜离子浓度一直较高，此时，自动控制硫酸进入电除铜装置，对电除铜装置进行酸洗再生，并排入铜回收池，直至电除铜装置中铜离子浓度低于设定值；当铜离子浓度低于设定值时，中止硫酸进入电除铜装置，同时，计量泵再一次泵入一定量的含铜废水进入电除铜装置，如此循环。

Description

基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺及其控 制系统
技术领域
本发明属于污水净化处理领域，尤其涉及一种通过电化学方法分离并富集水中金属离子，实现废水净化和铜资源回收的工艺及其控制系统。
背景技术
电化学法是一种环境友好型的废水处理技术，具有反应条件温和，环境污染少，容易实现自动化控制，操作维护简便等优点。电化学法中用于废水中重金属的去除与回收的方法包括电解法、电渗析法、电吸附法、电沉积法、电去离子法等。对于高浓度重金属废水，出于电流效率和经济效益方面考虑，电解法和电沉积法更适合，对于重金属离子浓度低于100mg/L的低浓度废水，由于溶液电导率低，需要施加更高电压，易造成水分解等副反应，导致电解法处理的电流效率很低，耗电量大，金属回收成本高，且出水难以实现达标排放。
电渗析法利用电场作用和半透膜的选择性分离带电离子，广泛应用于饮用水、工业废水、医药用水处理以及食品、化学工业等领域。电渗析与离子交换法相结合形成的电去离子法，可有效去除电镀漂洗水中的重金属离子。由于半透膜存在，运行过程中容易出现极化现象，在膜表面形成水垢，从而增加电能消耗，减少膜的有效面积，导致出水水质下降，影响正常使用。
电吸附法基于双电层理论，通过在电解质溶液中施加微弱电场即可将电解质离子吸引到电极上，从而达到离子与本体溶液的分离；当电场去除后，被吸引的离子重新回到溶液中，以放电的形式实现电极再生；电吸附法的能耗低，易再生，不产生二次污染；利用电吸附法可有效去除重金属废水中铬、铅、铜、镍、镉等多种离子，处理后重金属离子浓度可降至0.1mg/L以下，去除率均可达到90％以上；对于铜离子等重金属，利用电脱附形式再生，脱附不完全且脱附时间长。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，利用电吸附耦合电沉积法，在外加电源下，含铜废水中的铜离子被吸附在电极表面，从而使含铜废水中离子浓度降低，当电源关闭，被吸附在电极表面的铜离子释放到含铜废水中，实现解析；随着电源电压的增加，铜离子会在电极表面发生氧化还原反应，从而进一步加强了铜离子在电极表面上的富集。
本发明的另一目的是提供一种电极再生方法，通过该方法可以快速、有效脱除电极表面附着的铜，提高铜回收量。
本发明的再一目的是提供一种自动控制系统，由于自动控制系统的控制过程切换频率低，因此能够节省能耗，操作简便，易于维护管理,可长时间工作；该自动控制系统基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺。
本发明基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，包括如下步骤：
(1)储存槽内的含铜废水通过第一泵泵入过滤器，然后进入电除铜装置；
(2)电源向所述电除铜装置提供电压，使得所述电除铜装置中含铜废水的铜离子被所述电除铜装置的电极吸附，实现含铜废水脱铜；
(3)经所述电除铜装置脱铜后的水进入检测池，总铜/铜离子在线监测仪自动检测所述检测池内铜离子的浓度，并反馈信息给自动控制系统，所述自动控制系统将检测到的所述检测池内铜离子的浓度与自身设定值进行比较；当检测出检测池内铜离子的浓度超过设定值时，排水管的第一电磁阀打开，排水管的第二电磁阀和第三电磁阀关闭，所述检测池的水通过所述第一电磁阀流回所述储存槽；当检测出检测池内铜离子的浓度低于设定值时，排水管的第二电磁阀打开，排水管的第一电磁阀和第三电磁阀关闭，所述检测池的水通过所述第二电磁阀流至清水池；
(4)当所述储存槽水位在一定时间内保持一定值时，所述自动控制系统断开所述电源，并停止所述第一泵工作；
(5)开启硫酸进水泵，将所述硫酸储罐中的硫酸泵入所述电除铜装置，对所述电除铜装置进行酸洗再生，酸洗含铜废水时，自动控制系统控制打开所述第三电磁阀，含铜废水排入铜回收池；
(6)当所述总铜/铜离子在线监测仪检测到所述检测池内铜离子浓度低于设定值时，所述总铜/铜离子在线监测仪反馈信号给所述自动控制系统，所述自动控制系统将关闭所述硫酸进水泵，并开启所述第一泵，接通所述电源。
进一步地，所述第一泵为计量泵，所述自动控制系统根据所述总铜/铜离子在线自动监测仪反馈的所述检测池内铜离子浓度调整所述计量泵频率，从而控制含铜废水进入所述电除铜装置的流量，满足不同浓度含铜废水在所述电除铜装置内的除铜时间需要。
进一步地，所述过滤器包括相互连通的袋式过滤器和精密过滤器；所述袋式过滤器另一端连通所述第一泵，所述精密过滤器另一端连通所述电除铜装置；所述袋式过滤器和所述精密过滤器用以去除含铜废水中的浮渣和微小悬浮物。
进一步地,所述袋式过滤器采用熔吹无纺布滤袋，过滤精度≥25μm；所述精密过滤器采用线绕式滤芯，过滤精度≥5μm。
进一步地，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀由所述自动控制系统控制打开、关闭。
进一步地，所述含铜废水的pH值为5。
进一步地,所述酸洗再生用的硫酸浓度为0.1mol/L-2mol/L。
本发明基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺的控制系统，包括含铜废水处理工艺自动控制系统，所述自动控制系统包括计算机、PLC以及与PLC相连的信号采集器和外界设备控制器；
所述PLC通过信号采集器和外界设备控制器对储存罐内液位及检测池内的铜离子浓度进行采样、分析和控制；
设定铜离子浓度值和液位范围，通过信号采集器获取当前储存罐内液位高度和检测池内铜离子浓度值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号送PLC与设定值进行比较，得到偏差信号，偏差信号经过调节器做PID运算给外界设备控制器一个控制型数字信号，通过数/模转换器将数字信号转换为模拟信号，调整第一泵、硫酸进水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀及电源的启停，从而控制除铜工艺过程。
进一步地,所述信号采集器包括液位传感器和铜离子浓度传感器；所述外界设备控制器包括水泵控制器、电磁阀阀控制器、直流稳压电源控制器。
进一步地,液位传感器将信号传递给水泵控制器和直流稳压电源控制器，控制第一泵、硫酸进水泵和电源的启停；铜离子浓度传感器将信号传递给电磁阀阀控制器，控制第一电磁阀和第二电磁阀的开闭，所述液位传感器和所述铜离子浓度传感器将信号传递给电磁阀阀控制器，控制第三电磁阀的开闭。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明通过计量泵泵入一定量的含铜废水进入电除铜装置，利用电吸附耦合电沉积法，在电除铜装置中实现含铜废水脱铜，当处理后含铜废水中的铜离子浓度低于设定值，排至清水池；当处理后含铜废水中的铜离子浓度高于设定值，排至储存槽；当储存槽水位在一定时间内保持一定值，即表明含铜废水中的铜离子浓度一直较高，此时，自动控制硫酸进入电除铜装置，对电除铜装置进行酸洗再生，并排入铜回收池，直至电除铜装置中铜离子浓度低于设定值；当铜离子浓度低于设定值时，中止硫酸进入电除铜装置，同时，计量泵再一次泵入一定量的含铜废水进入电除铜装置，如此循环，以上控制均为自动控制；
(2)本发明通过电吸附耦合电沉积法，使含铜废水中的铜离子附着在电极上，无需投加化学沉淀药剂，可以在较低电压条件下实现铜离子与水溶液的有效分离，本发明避免了传统化学沉淀法处理效果差、药剂投加量大和产生大量废渣造成二次污染等问题，同时由于无隔膜的设计，不存在膜结垢的问题，电流效率高，能耗低，成本小；
(3)本发明利用电吸附耦合电沉积法，电除铜装置将铜离子富集于电除铜装置，其处理效果好，第二电磁阀出水铜离子浓度低于0.5mg/L；
(4)本发明基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理系统，由于采用自动控制系统控制，可长时间工作，同时，由于自动控制系统的控制过程切换频率低，因此能够节省能耗；
(5)本发明基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，经酸洗再生，第三电磁阀出水铜离子浓度高，有利于铜的回收；
⑹本发明基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，酸洗再生过程简单，再生后的电除铜装置对含铜废水中的铜离子依然保持良好的吸附能力；
⑺本发明基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，采用自动控制系统控制，操作简便，易于维护管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图只是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺流程示意图。
图2是本发明的电除铜装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例只用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
本发明实施例一，一种基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，如图1和图2所示，包括如下步骤：
(1)储存槽内pH值＝5的含铜废水通过计量泵泵入袋式过滤器，然后经过精密过滤器，进入电除铜装置，袋式过滤器和精密过滤器用以去除浮渣和微小悬浮物；
(2)直流稳压电源向所述电除铜装置提供电压，使得所述电除铜装置中铜废水的铜离子被所述电除铜装置的电极吸附，与废水分离，实现脱铜；
(3)所述电除铜装置出水进入检测池，总铜/铜离子在线监测仪自动检测所述检测池内铜离子的浓度，并反馈信息给自动控制系统，所述自动控制系统将所述检测池内铜离子的浓度与设定值进行比较；当检测出检测池内铜离子的浓度超过设定值时，自动控制系统控制排水管的第一电磁阀打开，排水管的第二电磁阀和第三电磁阀关闭，所述检测池的水通过所述第一电磁阀流回储存槽；当检测出检测池内铜离子的浓度低于设定值时，自动控制系统控制排水管的第二电磁阀打开，排水管的第一电磁阀和第三电磁阀关闭，所述检测池的水通过所述第二电磁阀流至清水池；
(4)当所述储存槽水位在0.5小时内保持一定值时，所述自动控制系统断开所述直流稳压电源，并停止所述计量泵工作；
(5)开启硫酸进水泵，将所述硫酸储罐中的硫酸泵入所述电除铜装置，对所述电除铜装置进行酸洗再生，酸洗含铜废水时，自动控制系统控制打开所述第三电磁阀，排入铜回收池；
(6)当所述总铜/铜离子在线监测仪检测到所述检测池内铜离子浓度低于设定值时，所述总铜/铜离子在线监测仪反馈信号给所述自动控制系统，所述自动控制系统将关闭所述硫酸进水泵，并开启所述计量泵，接通所述直流稳压电源。
本发明中，根据废水处理要求，由自动控制系统控制计量泵、硫酸进水泵、直流稳压电源、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀的工作状态。
本发明中，所述袋式过滤器采用熔吹无纺布滤袋，过滤精度≥25μm。
本发明中，所述精密过滤器采用线绕式滤芯，过滤精度≥5μm。
本发明中，所述酸洗再生用的硫酸浓度为0.1mol/L～2mol/L。
本发明电除铜装置，包括矩形槽1、位于矩形槽1内并等间距设置的若干电极(包括集电极21和工作电极22)和位于电极间的PP网3；矩形槽1设有进水口11和出水口12；集电极21为纯钛网，工作电极22为活性炭纤维毡，电极面积120cm2，电极中心间距为1mm。
本发明铜离子去除过程：含铜废水铜离子浓度25mg/L，进水流量7.5ml/min，电除铜装置的吸附有效容积450ml，电极之间电压为1.8V，检测池出水可外排的铜离子浓度设置为0.5mg/L；经过300min电除铜装置处理，铜离子去除率达到99.6％，出水铜离子浓度低于0.1mg/L。
本发明电除铜装置铜离子再生过程：采用硫酸进水泵向电除铜装置通入1mol/L硫酸溶液，流速为1.5ml/min，当总铜/铜离子在线自动监测仪检测到检测池内铜离子浓度低于0.5mg/L时，硫酸进水泵停止进料。
本发明自动控制过程如下：含铜废水处理工艺自动控制系统包括计算机、PLC以及与PLC相连的信号采集器(液位传感器和铜离子浓度传感器)和外界设备控制器(水泵控制器、电磁阀阀控制器、直流稳压电源控制器)。PLC通过信号采集器和外界设备控制器对储存罐内液位及检测池内的铜离子浓度的采样、分析和控制。设定铜离子浓度值(0.5mg/L)和液位范围，通过信号采集器(液位传感器和铜离子浓度传感器)获取当前储存罐内液位高度和检测池内铜离子浓度值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号送PLC与设定值进行比较，得到偏差信号，偏差信号经过调节器做PID运算给外界设备控制器(水泵控制器、电磁阀阀控制器、直流稳压电源控制器)一个控制型数字信号，通过数/模转换器将数字信号转换为模拟信号，调整计量泵、硫酸进水泵、第一电磁阀、第二电磁阀及直流稳压电源的启停，从而控制除铜工艺过程。其中液位传感器将信号传递给水泵控制器和直流稳压电源控制器，控制系统计量泵、硫酸进水泵以及直流稳压电源的启停；铜离子浓度传感器将信号传递给电磁阀阀控制器，控制第一电磁阀、第二电磁阀开闭，液位传感器和铜离子浓度传感器将信号传递给电磁阀阀控制器，控制第三电磁阀的开闭。
本发明实施例二，与实施例一不同的是，所述自动控制系统根据所述总铜/铜离子在线自动监测仪反馈的所述检测池内铜离子浓度调整所述计量泵频率，从而控制铜废水进入所述电除铜装置的流量，满足不同浓度含铜废水在所述电除铜装置内的除铜时间需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，其特征在于,包括如下步骤：
(1)储存槽内的含铜废水通过第一泵泵入过滤器，然后进入电除铜装置；
(2)电源向所述电除铜装置提供电压，使得所述电除铜装置中含铜废水的铜离子被所述电除铜装置的电极吸附，实现含铜废水脱铜；
(3)经所述电除铜装置脱铜后的水进入检测池，总铜/铜离子在线监测仪自动检测所述检测池内铜离子的浓度，并反馈信息给自动控制系统，所述自动控制系统将检测到的所述检测池内铜离子的浓度与自身设定值进行比较；当检测出检测池内铜离子的浓度超过设定值时，排水管的第一电磁阀打开，排水管的第二电磁阀和第三电磁阀关闭，所述检测池的水通过所述第一电磁阀流回所述储存槽；当检测出检测池内铜离子的浓度低于设定值时，排水管的第二电磁阀打开，排水管的第一电磁阀和第三电磁阀关闭，所述检测池的水通过所述第二电磁阀流至清水池；
(4)当所述储存槽水位在一定时间内保持一定值时，所述自动控制系统断开所述电源，并停止所述第一泵工作；
(5)开启硫酸进水泵，将所述硫酸储罐中的硫酸泵入所述电除铜装置，对所述电除铜装置进行酸洗再生，酸洗含铜废水时，自动控制系统控制打开所述第三电磁阀，含铜废水排入铜回收池；
(6)当所述总铜/铜离子在线监测仪检测到所述检测池内铜离子浓度低于设定值时，所述总铜/铜离子在线监测仪反馈信号给所述自动控制系统，所述自动控制系统将关闭所述硫酸进水泵，并开启所述第一泵，接通所述电源。
2.根据权利要求1所述的基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，其特征在于，所述第一泵为计量泵，所述自动控制系统根据所述总铜/铜离子在线自动监测仪反馈的所述检测池内铜离子浓度调整所述计量泵频率，从而控制含铜废水进入所述电除铜装置的流量，满足不同浓度含铜废水在所述电除铜装置内的除铜时间需要。
3.根据权利要求1所述的基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，其特征在于，所述过滤器包括相互连通的袋式过滤器和精密过滤器；所述袋式过滤器另一端连通所述第一泵，所述精密过滤器另一端连通所述电除铜装置；所述袋式过滤器和所述精密过滤器用以去除含铜废水中的浮渣和微小悬浮物。
4.根据权利要求3所述基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，其特征在于,所述袋式过滤器采用熔吹无纺布滤袋，过滤精度≥25μm；所述精密过滤器采用线绕式滤芯，过滤精度≥5μm；所述含铜废水的pH值为5。
5.根据权利要求1所述的基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，其特征在于，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀由所述自动控制系统控制打开、关闭。
6.根据权利要求1所述基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺，其特征在于,所述酸洗再生用的硫酸浓度为0.1mol/L～2mol/L。
7.一种权利要求1所述基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺的控制系统，其特征在于,包括含铜废水处理工艺自动控制系统，所述自动控制系统包括计算机、PLC以及与PLC相连的信号采集器和外界设备控制器；
所述PLC通过信号采集器和外界设备控制器对储存罐内液位及检测池内的铜离子浓度进行采样、分析和控制；
设定铜离子浓度值和液位范围，通过信号采集器获取当前储存罐内液位高度和检测池内铜离子浓度值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号送PLC与设定值进行比较，得到偏差信号，偏差信号经过调节器做PID运算给外界设备控制器一个控制型数字信号，通过数/模转换器将数字信号转换为模拟信号，调整第一泵、硫酸进水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀及电源的启停，从而控制除铜工艺过程。
8.根据权利要求7所述基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺的控制系统，其特征在于,所述信号采集器包括液位传感器和铜离子浓度传感器；所述外界设备控制器包括水泵控制器、电磁阀阀控制器、直流稳压电源控制器。
9.根据权利要求8所述基于电吸附耦合电沉积法的低浓度含铜废水处理工艺的控制系统，其特征在于,液位传感器将信号传递给水泵控制器和直流稳压电源控制器，控制第一泵、硫酸进水泵和电源的启停；铜离子浓度传感器将信号传递给电磁阀阀控制器，控制第一电磁阀和第二电磁阀的开闭，所述液位传感器和所述铜离子浓度传感器将信号传递给电磁阀阀控制器，控制第三电磁阀的开闭。
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