CN111268771A - 一种焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，属于水处理技术领域。该方法所用的装置包括电解槽、阴极电极板、阳极电极板、气体吸收瓶和气袋等，经过预处理后的焚烧飞灰水洗液进入到阳极室，在电场作用下，水洗液中的Cl^‑在阳极生成氯气，重金属离子在阴极发生电沉积反应而被去除。本方法脱氯除重金属操作简单，占地面积小，处理效率高，产生的氯气与氢气可作进一步资源化利用，避免了二次污染。

Description

一种焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，特别是指一种焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法。

背景技术

生活垃圾焚烧技术由于其减量化、稳定化和资源化优势明显，近几年在我国得到了广泛推广，但由于焚烧过程中产生的飞灰含有一定量的重金属、溶解性盐及二恶英等污染物，所以对焚烧飞灰的处理与处置也逐渐成为研究点。目前，水洗是国内外最常用的处理方法，可将飞灰中大量的可溶性氯去除，以提高后续处理工艺对飞灰的稳定化效果，使飞灰更好的被资源化利用。而水洗后产生的水洗液中含有大量的氯盐与水溶性重金属，如不对其加以处理会对环境造成严重影响，如何实现焚烧飞灰水洗液的无害化处理成为亟需解决的问题

目前有效处理含盐废水的技术主要有反渗透-蒸发、膜蒸馏、正渗透和电渗析等技术。反渗透浓水中高含盐废水用蒸发法处理技术成熟，但能耗过高，设备投资大，在没有可利用的稳定余热时成本高昂。膜蒸馏技术操作简单、出水水质好，虽能耗降低但膜的稳定性有待提高。从理论上看，正渗透是最理想的技术手段，但正渗透膜与汲取液的性能制约着实际应用。而电渗析技术，与蒸发相比设备投资更少，与膜蒸馏相比能耗更低，与正渗透相比技术更成熟，故为有效处理含盐废水的优选技术之一(章晨林,张新妙,郭智,等.电渗析法处理含盐废水的进展[J].现代化工,2016,36(07):13-16.)。

关于电渗析技术处理含盐废水的相关专利已有一些报道，“一种基于电渗析-正渗透技术高盐高COD废水处理方法及其装置”(CN107555555A)公开了一种基于电渗析-正渗透技术高盐高COD废水处理方法及其装置，其装置主要由预处理单元、电渗析单元及正渗透单元组成，通过将电渗析与正渗透两种技术耦合，实现了对废水的预脱盐和同时回收再生汲取液的目的；“一种用于焦化废水的高效电渗析脱盐装置与方法”(CN104478045A)公开了一种用于焦化废水的高效电渗析脱盐装置与方法，其高效电渗析装置特点是采用改性低渗透抗污染离子交换膜、低析氢析氧过电位的耐腐蚀钛基涂层电极及使用于焦化废水脱盐的电渗析过程控制系统，可使焦化废水处理后的淡水回收率大于85％。

本发明的目的是通过电渗析技术将焚烧飞灰水洗液中的氯盐与重金属脱除，同时制得可用于消毒的NaClO、KClO溶液，可有效解决含盐废水对环境产生的污染问题。具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法。

该方法在直流电解槽内采用阳离子交换膜将阴阳两极隔开，使电解槽分为阴极室和阳极室两个区域；预处理后的焚烧飞灰水洗液进入阳极室，在电场的作用下，水洗液中的Cl^-在阳极表面生成氯气；阴极室中充满水溶液，并在阴极表面发生重金属离子的电沉积反应；阳极室中的阳离子通过阳离子交换膜进入到阴极室中形成碱液，电解结束后获得脱除氯盐与重金属的水洗液。

其中，电解槽中阴极室和阳极室尺寸相同，阴极室一侧安置阴极电极板，阳极室一侧安置阳极电极板，阴极电极板连接阴极板导线，阳极电极板连接阳极板导线，阴极室上设置阴极出气口和阴极进料口，阳极室上设置阳极出气口和阳极进料口，阳离子交换膜通过电解槽固定螺栓固定，阴极出气口通过硅胶管一接气袋，气袋上设置进气孔，阳极出气口通过硅胶管二接气体吸收瓶，阴极板导线接电源负极，阳极板导线通过电流表接电源正极。

电解采用恒流电流电解，电流密度低于50mA/cm²。

阴极电极板和阳极电极板均采用钛镀氧化铑惰性电极，且与阳离子交换膜之间等距；阴极电极板和阳极电极板位置正对且尺寸完全相同。

焚烧飞灰水洗液中所含Cl^-浓度为20-40g/L，Zn、Pb、Cu、Mn、As、Cr、Cd七种重金属总含量为8-16mg/L。

电解槽两端施加恒定电流0.1A～0.3A,电解时间2h～4h。

焚烧飞灰水洗液在进入阳极室前，经过预处理，预处理包括过滤分离、碳酸化沉淀、静置、过滤分离。

上述预处理具体步骤如下：

首先，将焚烧飞灰水洗液过滤分离，去除其中的小颗粒杂质；然后向水洗液中通入二氧化碳，使其与钙镁及重金属离子发生反应生成碳酸盐沉淀；静置待沉淀完全；最后对静置后的水洗液过滤分离，去除其中的沉淀物。

该方法电解结束后，阴极室中形成含有NaOH、KOH等物质的混合碱液，排出后可作为阳极氯气的吸收液而被重复利用；阳极室中脱除氯盐的水洗液经检测，或达标排放，或进一步深度处理。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)在电渗析作用下，焚烧飞灰水洗液中的氯盐与重金属可得到有效去除，并在阴极获得能二次利用的NaOH、KOH溶液，该液可吸收阳极产物的氯气生成用于消毒的NaClO、KClO溶液，；

(2)阳离子交换膜将电解槽分为两个单独极室，避免生成的氯气与阴极中的碱液发生反应生成次氯酸盐等，进而无法析出氯气；其反应速率可控，电解效率高；

(3)阴极室中加入的水溶液加大膜两侧的离子浓度差，对渗析有促进作用，从而节约电渗析能耗；

(4)反应装置简单，易于操作，占地面积小；

(5)本发明反应器可以扩大使用范围，用于对其他含盐废水的脱盐处理。

附图说明

图1为本发明的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法反应原理示意图；

图2为本发明的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法所涉及装置结构示意图。

其中：1-电解槽；2-阴极电极板；3-阳离子交换膜；4-阴极出气口；5-阴极板导线；6-电解槽固定螺栓；7-阳极出气口；8-阳极电极板；9-阳极板导线；10-气袋；11-硅胶管一；12-进气孔；13-硅胶管二；14-气体吸收瓶；15-阴极进料口；16-阳极进料口；17-电源；18-电流表。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法。

该方法原理如图1所示：飞灰水洗液进入阳极室，在电渗析的作用下，水洗液中Cl^-由于具有较高的氧化还原电位，优先在阳极表面发生氧化反应生成氯气；阳极室中剩余的大量可溶性阳离子如Na⁺、K⁺与重金属离子等通过阳离子交换膜进入到阴极室中，重金属离子发生还原反应而电沉积在阴极板上，而Na⁺、K⁺与阴极室中生成的OH^-结合形成碱液；阴极形成的碱液可用于吸收阳极室中产生的氯气，从而生成可用于消毒的NaClO、KClO溶液；电解结束后获得脱除氯盐与重金属的水洗液。

如图2所示，该方法所采用装置中，电解槽1中阴极室和阳极室尺寸相同，阴极室一侧安置阴极电极板2，阳极室一侧安置阳极电极板8，阴极电极板2连接阴极板导线5，阳极电极板8连接阳极板导线9，阴极室上设置阴极出气口4和阴极进料口15，阳极室上设置阳极出气口7和阳极进料口16，阳离子交换膜3通过电解槽固定螺栓6固定，阴极出气口4通过硅胶管一11接气袋10，气袋10上设置进气孔12，阳极出气口7通过硅胶管二13接气体吸收瓶14，阴极板导线5接电源17负极，阳极板导线9通过电流表18接电源正极。

电解采用恒流电流电解，电流密度低于50mA/cm²。

阴极电极板2和阳极电极板8均采用钛镀氧化铑惰性电极，且与阳离子交换膜3之间等距；阴极电极板2和阳极电极板8位置正对且尺寸完全相同。

焚烧飞灰水洗液中所含Cl^-浓度为20-40g/L，Zn、Pb、Cu、Mn、As、Cr、Cd七种重金属总含量为8-16mg/L。

电解槽1两端施加恒定电流0.1A～0.3A,电解时间2h～4h。

焚烧飞灰水洗液在进入阳极室前，经过预处理，预处理包括过滤分离、碳酸化沉淀、静置、过滤分离。

上述预处理具体步骤如下：

首先，将焚烧飞灰水洗液过滤分离，去除其中的小颗粒杂质；然后向水洗液中通入二氧化碳，使其与钙镁及重金属离子发生反应生成碳酸盐沉淀；静置待沉淀完全；最后对静置后的水洗液过滤分离，去除其中的沉淀物。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

反应器总有效体积49ml，阴极室及阳极室有效体积均为24.5ml。阴极与阳极均采用钛镀氧化铑惰性电极，向电解槽两端通入恒定电流0.2A，停留时间3h。预处理后的焚烧飞灰水洗液中Cl^-初始浓度为31.13g/L，Zn、Pb、Cu、Mn、As、Cr、Cd七种重金属含量为15.82mg/L，电解结束时阳极室中的水洗液中Cl^-浓度为2.18g/L，反应器Cl^-去除率达93.00％，重金属含量为6.37mg/L，重金属去除率达60％；阴极室中产生的碱液浓度为12.82g/L；Cl₂吸收率达90％以上。

实施例2

反应器同实施例1，向电解槽中通入恒定电流0.2A，停留时间3.5h。预处理后的焚烧飞灰水洗液中Cl^-初始浓度为31.13g/L，Zn、Pb、Cu、Mn、As、Cr、Cd七种重金属含量为15.82mg/L，电解结束时阳极室中的水洗液中Cl^-浓度为2.08g/L，反应器Cl^-去除率达93.32％，重金属含量为5.96mg/L，重金属去除率达62.30％；阴极室中产生的碱液浓度为13.86g/L；Cl₂吸收率达90％以上。

实施例3

反应器同实施例1，向电解槽中通入恒定电流0.2A，停留时间4h。预处理后的焚烧飞灰水洗液中Cl^-初始浓度为31.13g/L，Zn、Pb、Cu、Mn、As、Cr、Cd七种重金属含量为15.82mg/L，电解结束时阳极室中的水洗液中Cl^-浓度为2.02g/L，反应器Cl^-去除率达93.51％，重金属含量为5.62mg/L，重金属去除率达64.50％；阴极室中产生的碱液浓度为14.92g/L；Cl₂吸收率达90％以上。

对照例1

采用化学法去除焚烧飞灰水洗液中的Cl^-，预处理后的焚烧飞灰水洗液中Cl^-初始浓度为31.13g/L，向1L的浸出液中加入Ca(OH)₂和NaAlO₂溶液，并控制其Ca:Al:Cl物质的量比为2:1:1；Ca²⁺、Al³⁺与水洗液中的Cl^-反应生成不溶性钙铝氯化合物Ca₂Al(OH)₆Cl，以去除水洗液中的Cl^-，反应方程式如下：2Ca(OH)₂+NaCl+NaAlO₂+2H₂O＝Ca₂Al(OH)₆Cl↓+2NaOH；经反应后浸出液中Cl^-浓度为15.02g/L，Cl^-去除率达51.75％。

对照例2

采用蒸发分离法回收焚烧飞灰水洗液中的Cl^-，预处理后的焚烧飞灰水洗液中Cl^-初始浓度为31.13g/L，取一定量的水洗液置于电炉上加热，分别在114℃与126℃下取样后降温结晶，并得到NaCl质量分数为30％-39％的粗钠与KCl质量分数为55％-64％的粗钾。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，其特征在于：在直流电解槽(1)内采用阳离子交换膜(3)将阴阳两极隔开，使电解槽(1)分为阴极室和阳极室两个区域；预处理后的焚烧飞灰水洗液进入阳极室，在电场的作用下，水洗液中的Cl^-在阳极表面生成氯气；阴极室中充满水溶液，并在阴极表面发生重金属离子的电沉积反应；阳极室中的阳离子通过阳离子交换膜进入到阴极室中形成碱液，电解结束后获得脱除氯盐与重金属的水洗液。

2.根据权利要求1所述的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，其特征在于：所述电解槽(1)中阴极室和阳极室尺寸相同，阴极室一侧安置阴极电极板(2)，阳极室一侧安置阳极电极板(8)，阴极电极板(2)连接阴极板导线(5)，阳极电极板(8)连接阳极板导线(9)，阴极室上设置阴极出气口(4)和阴极进料口(15)，阳极室上设置阳极出气口(7)和阳极进料口(16)，阳离子交换膜(3)通过电解槽固定螺栓(6)固定，阴极出气口(4)通过硅胶管一(11)接气袋(10)，气袋(10)上设置进气孔(12)，阳极出气口(7)通过硅胶管二(13)接气体吸收瓶(14)，阴极板导线(5)接电源(17)负极，阳极板导线(9)通过电流表(18)接电源正极。

3.根据权利要求1所述的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，其特征在于：所述电解采用恒流电流电解，电流密度低于50mA/cm²。

4.根据权利要求2所述的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，其特征在于：所述阴极电极板(2)和阳极电极板(8)均采用钛镀氧化铑惰性电极，且与阳离子交换膜(3)之间等距；阴极电极板(2)和阳极电极板(8)位置正对且尺寸完全相同。

5.根据权利要求1所述的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，其特征在于：所述焚烧飞灰水洗液中所含Cl^-浓度为20-40g/L，Zn、Pb、Cu、Mn、As、Cr、Cd七种重金属总含量为8-16mg/L。

6.根据权利要求1所述的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，其特征在于：所述电解槽(1)两端施加恒定电流0.1A～0.3A,电解时间2h～4h。

7.根据权利要求1所述的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，其特征在于：所述焚烧飞灰水洗液在进入阳极室前，经过预处理，预处理包括过滤分离、碳酸化沉淀、静置、过滤分离。

8.根据权利要求7所述的焚烧飞灰水洗液脱氯除重金属的电化学方法，其特征在于：所述预处理具体步骤如下：

首先，将焚烧飞灰水洗液过滤分离，去除其中的小颗粒杂质；然后向水洗液中通入二氧化碳，使其与钙镁及重金属离子发生反应生成碳酸盐沉淀；静置待沉淀完全；最后对静置后的水洗液过滤分离，去除其中的沉淀物。

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