CN109205878A - 一种处理重金属离子废水的电絮凝装置及方法 - Google Patents

一种处理重金属离子废水的电絮凝装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种处理重金属离子废水的电絮凝装置及方法，包括存放重金属离子废水的电解槽，电解槽内设有阴极和阳极，阳极与设置于电解槽外的稳压直流电源的正极相连，阴极与稳压直流电源的负极相连；用NaOH调节重金属离子废水的PH值为6～9，用NaCl来调节重金属离子废水的电导率为3ms/cm，然后调整稳压直流电源的电流密度为5A/dm2，接通稳压直流电源，对重金属离子废水处理30min，使重金属废水中的重金属转化为絮体进行分离。与现有技术相比，本发明利用电絮凝技术处理重金属离子废水，验证了重金属离子废水的PH值为6‑9的范围内，电极板间距为2cm左右，电解处理时间控制在30min左右，电流密度在5A/dm2,电导率控制在3ms/cm，重金属离子的去除率最高，能够达到95％以上。

Description

一种处理重金属离子废水的电絮凝装置及方法
技术领域
本发明涉及金属离子废水的处理领域，特别是一种处理重金属离子废水的电絮凝装置及方法。
背景技术
在进步和发展迅速的当今社会，随着人们对各种资源的需求量的逐渐攀升，地球上的资源供应变得越来越紧张，其中水资源问题较为突出。如今水资源问题已经引起了各国的关注，人类生存与发展离不开水，水体质量的好坏对人类的身体健康和生存条件有着重要的影响。据统计，我国的水资源极其缺乏，人均水资源占有量为0.22×104m3，大概只是世界水资源平均水平的四分之一。而且淡水资源在我国的分布区域差异很大，南方的水资源比北方多，沿海地区的水资源比西部多，导致我国有110多个城市存在重度缺水的问题。水资源供应紧张已变成了影响我国社会经济可持续发展和进步的其中一个极其重要因素。
而随着我国工业化和城市化的飞速发展，我们必须面对的另外一个严峻的问题就是水污染越来越严重。经国家相关部门的检测数据得知，我国很多城市的供水水源污染问题呈现出逐年加重的趋势，严重降低了水资源的回用功能，危害到老百姓的饮水安全和健康。其中工业污染对水源的危害是最主要的，而工业污水中的重金属离子是罪魁祸首。很多地方的水源被工业排放出来的重金属污水所污染，影响了人们的饮水水源和农作物的灌溉。人类的正常生命活动离不开某些种类的金属元素，适量的某些种类金属元素对人体是有好处的，但如果过量的金属元素进入人体的话就会影响到人类的健康问题。
含有重金属的污水主要是来自于电子化工、机械制造、矿产金属冶炼、医药等工业，而很多相关类型的企业不重视环境的保护，长期偷排含有重金属的污水，因此威胁到人们的身体健康。污水中的重金属在天然的环境下需经过很漫长的时间才能进行相态上的转移，但不能自然地变成无危害物质，必须要通过外界的作用，如果不对重金属污水进行有效处理的话，重金属污染物的毒性就在自然界中造成了影响。很多种类的重金属如铬、汞、铅、镉、镍、锌、锡和类金属砷等，若大量进入人体内，就会造成人体的慢性中毒，严重的话会导致人体致癌、致畸、致突变，威胁到人的生命。因此解决含重金属污水问题已显得越来越迫切。
为了解决重金属污水的污染问题，各种污水处理方法应运而生，主要有生物降解法，物理法、化学吸附法、物理吸附法，从开始的混凝法发展到电絮凝法、物化吸附法等。但这些处理重金属污水的手段方法都存在不完善的地方，从而限制了其应用。化学吸附法相对其它方法虽是比较成熟的污水处理方法，但是由于加入其它化学物质来辅助反应，会产生大量废物，且工艺手段复杂，对自动化的要求比较高；近年来，电絮凝法作为传统化学混凝吸附手段的一种替代工艺，由于其设备体积比较小、不需要另外添加化学试剂、操作容易、处理效率高、产生的废渣量少、后续处理容易，所以是一种被人们应用广泛和大量研究的电化学重金属污水处理技术。
但是，现有技术中的电絮凝技术应用中也存在一些缺点，如下面介绍的五方面内容：
(1)电絮凝在进行污水处理的时候，其电极的阴极很容易出现钝化现象，导致在电极表面生成致密的氧化膜，这样不但提高处理能耗，而且会阻碍电絮凝的反应，最终降低使污水的净化能力。
(2)电絮凝技术需要较高的耗能的电力，在供电设施比较落后的地区，电絮凝技术很难得到推广和应用。
(3)污水的电导率是影响电絮凝反应的重要因素，含有溶解性不高的固体的污水通过应用电絮凝技术来处理的效率就不高，因为其电导率较弱。
(4)金属阳极因反应被溶解成金属离子，要经常替换。
(5)有些氢氧化物絮体在某些情况下被溶解于污水中，不能够完全通过凝聚作用去除掉。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种处理重金属离子废水的电絮凝装置及方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种处理重金属离子废水的电絮凝装置，包括存放重金属离子废水的电解槽，所述电解槽内设有垂直浸没在重金属离子废水中的阴极和阳极，阳极与设置于电解槽外的稳压直流电源的正极相连，阴极与稳压直流电源的负极相连。
进一步，所述电解槽由有机玻璃制成。
进一步，所述阴极和阳极均为99％纯度的铝板，铝板的尺寸为4.5cm x 5.5cm x0.3cm。
进一步，所述阴极和阳极之间的垂直间距为2cm。
进一步，所述电解槽中设有用于搅拌重金属离子废水的磁力搅拌器，测力搅拌器位于阳极和阴极之间。
另外，本发明还提供了一种处理重金属离子废水的方法，使用上述处理重金属离子废水的电絮凝装置处理重金属离子废水，具体步骤如下：用NaOH调节重金属离子废水的PH值为6～9，用NaCl来调节重金属离子废水的电导率为3ms/cm，然后调整稳压直流电源的电流密度为5A/dm2，接通稳压直流电源，对重金属离子废水处理30min，使重金属废水中的重金属转化为絮体进行分离。
与现有技术相比，本发明利用电絮凝技术处理重金属离子废水，验证了重金属离子废水的PH值为6-9的范围内，电极板间距为2cm左右，电解处理时间控制在30min左右，电流密度在5A/dm2,电导率控制在3ms/cm，重金属离子的去除率最高，能够达到95％以上。
附图说明
图1为本发明实施例的处理重金属离子废水的电絮凝装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的电流密度对重金属离子去除率的影响。
图3为本发明实施例的处理时间对重金属离子去除率的影响。
图4为本发明实施例的电极板间距对重金属离子去除率的影响。
图5为本发明实施例的PH值对重金属离子去除率的影响。
图6为本发明实施例的电导率对重金属离子去除率的影响。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
如图1所示，本实施例的一种处理重金属离子废水的电絮凝装置，包括存放重金属离子废水5的电解槽1，所述电解槽1内设有垂直浸没在重金属离子废水5中的阴极2和阳极3，阳极3与设置于电解槽外的稳压直流电源4的正极相连，阴极2与稳压直流电源4的负极相连。
本实施例中，所述电解槽1由有机玻璃制成。
本实施例中，所述阴极2和阳极3均为99％纯度的铝板，铝板的尺寸为4.5cm x5.5cm x 0.3cm。
本实施例中，所述阴极2和阳极3之间的垂直间距为2cm。
本实施例中，所述电解槽1中设有用于搅拌重金属离子废水5的磁力搅拌器6，测力搅拌器位于阳极3和阴极2之间。
使用上述处理重金属离子废水的电絮凝装置处理重金属离子废水，具体步骤如下：用NaOH调节重金属离子废水的PH值为6～9，用NaCl来调节重金属离子废水的电导率为3ms/cm，然后调整稳压直流电源的电流密度为5A/dm2，接通稳压直流电源，对重金属离子废水处理30min，使重金属废水中的重金属转化为絮体进行分离。
为了验证本实施例的可行性，取佛山市内某五金制品公司的电镀废水溶液使用上述实施例的装置来进行处理电镀废水溶液，废水溶液中的重金属离子元素主要为铜离子、镍离子和铬离子，经检验，水质中铬离子10.2mg/L、镍离子40.2mg/L、铜离子35.6mg/L。在稳压直流电源通电之后，开始对初始电压和电流值进行调整，并且使用磁力搅拌器来避免电解液产生的浓度极化现象。实验过程中定时抽取两毫升的电解废水溶液来进行测量分析铜离子、镍离子和铬离子的质量浓度，分析仪器采用紫外分光光度计(GB/t11910-1989),并且计算废水溶液重金属离子的去除度。为了保证实验中的数据更加准确，要对每次反应的电极板进行预处理，用砂纸把电极板表面形成的致密氧化膜打磨抛光掉，而且要在清水中给电极通电十五分钟左右，当电极板表面出现气泡后方可关闭电源，如电极板表面看得出有明显的金属光泽则已经清洗干净，再安装进电解槽进行后续实验。
对上述实验进行记录数据处理并分析，具体如下：
1)电流密度对重金属离子去除率的影响
设定电极板间距为2cm，溶液PH值为8.0，时间为25min时，测量电流密度变化时金属离子的去除率如图2所示。由图2可见，当电流密度在1～5A/dm2时，铜离子、镍离子和铬离子的去除率随着电流密度的增强而增大，当电流密度为5A/dm2时铜离子、镍离子的去除率达到了最大值，随着电流密度的增加铜离子、镍离子的去除率呈现下降趋势；而铬离子的去除率达到最大值时电流密度为5.5A/dm2，随后去除率也随着电流密度的增加呈现下降趋势。这是因为电絮凝过程中，电流是其发生反应的动力来源，电流密度的增大会促进电极的氧化还原反应，在电极板溶解、气浮、凝聚作用下，电极絮凝能力不断增强，生成絮凝胶体，达到有效去除溶液重金属离子的目的。但电流密度的增加也会导致电极表面氧化膜的形成，从而抑制电絮凝反应，所以电流密度应控制在适当的范围值才能够更好的提高重金属离子的去除率。
2)处理时间对重金属离子去除率的影响
设定电极板间距为2cm，溶液PH值为8.0,电流密度为5A/dm2时，测量处理时间(min)改变时重金属离子的去除率，结果如图3所示。
由图3可知反应处理时间在10-30min间，去除率的数值增幅明显，处理效率明显。当时间到达30分钟时，铜离子、镍离子和铬离子的去除率达到了顶峰，随后随着处理时间的增大，去除率适当降低后就趋于稳定，不再随时间变化而变化。这主要是因为电絮凝技术的处理效果存在时间的饱和临界点，当电絮凝装置反应过程中，电极板表面容易产生氧化膜，影响电极的氧化反应，从而影响絮凝能力。如果没有外界影响条件下，氧化膜就随处理时间达到饱和点后也变得稳定，延长处理时间不会再提高去除率，还会提高能耗，所以处理时间控制在30分钟时比较合适。
3)电极板间距对重金属离子去除率的影响
设定溶液PH值为8.0，电流密度为5A/dm2，处理时间30min，测量不同电极板间距(cm)对重金属离子去除率的影响，结果如图4所示。
电极板间距的大小直接会影响电流强度，如果电极板间距小，就可以提高电絮凝的效率，节省效能，但电极板间距过小就对于设备的生产形成阻力；相反，如果电极板间距过大，就会增大了电阻，降低了电絮凝的效率，同时会增大耗能，所以选择合适位置是必要的。
由图4可见，当电极板间距在1-2cm时，金属离子的去除率有明显提高，当电极板间距为2cm时镍离子和铬离子的去除率达到峰值，达90％左右，随着电极板间距的增大，去除率降低；而铜离子的去除率在电极板间距等于2.5时达到峰值，随后就逐步下降。其原因是当间距小时，阴极因电解作用产生的气体使阳极产生的絮凝物上升迅速，加快了阳极的溶解反应，使重金属离子的去除率升高。但电极间距变大时，电阻变大，能耗增大，所以综上电极间距为2cm比较合适。
4)pH值对重金属离子去除率的影响
设定电极板间距为2cm，电流密度为5A/dm2，处理时间30min时，将PH值调到4、5、6、7、8和9，测量重金属离子的去除率，结果如图5所示。
溶液中铜离子和镍离子的去除率都随着PH值的增大而增大。而铬离子的去除率在PH＜9时会逐步增大，在PH＝9时就会达到峰值，随后逐步下降。由于氢氧化铬是两性氢氧化物，所以PH过大会降低絮凝能力，所以PH值宜控制在6～9之间，最佳为8。
5)电导率对重金属离子去除率的影响
设定电极板间距为2cm，溶液PH值为8.0,电流密度为5A/dm2时，分别加入0.8g、0.9g、1.0g、1.1g、1.2g的NaCl来改变溶液的电导率[16]，测量分析不同电导率对金属离子去除率的影响，结果如图6所示。
随着电导率的提高，溶液中重金属离子的去除率也有相应的增大，不过增幅不是很明显，但对于装置的能效有一定的提升。溶液中过多的Cl-会溶解电极板，有腐蚀作用，影响电极板的使用寿命，所以电导率控制在3ms/cm比较合理。
综上所述，根据实验数据分析表明，如果要使溶液中的重金属离子的去除率达到明显的效果，装置控制的工艺参数为：PH值为6～9的范围内最佳为8，电极板间距为2cm左右，电解处理时间控制在30min左右，电流密度在5A/dm2,电导率控制在3ms/cm。能够很好的去除污水中的重金属离子，具备了很多其他技术没有的优点，有其独特的优势，也可以与其他技术联用。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种处理重金属离子废水的电絮凝装置，其特征在于，包括存放重金属离子废水的电解槽，所述电解槽内设有垂直浸没在重金属离子废水中的阴极和阳极，阳极与设置于电解槽外的稳压直流电源的正极相连，阴极与稳压直流电源的负极相连。
2.根据权利要求1所述的处理重金属离子废水的电絮凝装置，其特征在于：所述电解槽由有机玻璃制成。
3.根据权利要求1所述的处理重金属离子废水的电絮凝装置，其特征在于：所述阴极和阳极均为99％纯度的铝板，铝板的尺寸为4.5cmx5.5cmx0.3cm。
4.根据权利要求1所述的处理重金属离子废水的电絮凝装置，其特征在于：所述阴极和阳极之间的垂直间距为2cm。
5.根据权利要求1所述的处理重金属离子废水的电絮凝装置，其特征在于：所述电解槽中设有用于搅拌重金属离子废水的磁力搅拌器，测力搅拌器位于阳极和阴极之间。
6.一种处理重金属离子废水的方法，其特征在于：使用如权利要求1-5任一所述的处理重金属离子废水的电絮凝装置处理重金属离子废水，具体步骤如下：用NaOH调节重金属离子废水的PH值为6～9，用NaCl来调节重金属离子废水的电导率为3ms/cm，然后调整稳压直流电源的电流密度为5A/dm2，接通稳压直流电源，对重金属离子废水处理30min，使重金属废水中的重金属转化为絮体进行分离。
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