CN112225294A - 一种电化学协同曝氮气降解废水中重金属离子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学协同曝氮气降解废水中重金属离子的方法，利用电化学曝氮气处理装置，方法如下：将含有重金属离子的废水置于容器内，先打开曝氮气装置、传输泵和气源，调节控制阀和流量计控制气体流量，使气体经管路流入曝氮气装置后进入容器内，然后接通电源，调节直流电源电压，进行电沉积。本发明通过电化学中的电沉积法，同时将曝氮气技术引入电化学方法中，从而使重金属离子在阴极还原，有效的去除废水中重金属离子，使之无害化。

Description

一种电化学协同曝氮气降解废水中重金属离子的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种电化学曝氮气处理重金属废水的装置和方法。
背景技术
在经济发展和科学技术不断进步的大背景下，环境污染逐渐对人们的生活造成了危害，特别是水环境污染。而其中重金属污染又在水环境污染中占据极为重要的部分。在电镀、冶炼、化工、造纸、染料等行业都有重金属的产生。重金属不仅在自然界中分布广泛，而且在人类的生产和生活中都起着十分重要的作用。重金属具有毒性大和生物不可降解等特点，不仅对农作物的生长和产量有影响，还会通过食物链在生物体内不断富集，严重危害人的身体健康。虽然部分重金属元素是人体必需的微量元素，如铜、锌等，但如果重金属含量超过人体所能承受的限度，就会造成人体急性中毒、亚急性中毒和慢性中毒等，对人体造成很大伤害，如由汞污染引起的水俣病和由镉污染引起的骨痛病等公害病。所以重金属废水污染是目前急需解决的环境问题之一。
目前，处理含重金属离子废水的主要方法有物理法、化学法和生物法三大类。其中物理法包括吸附法、膜分离法和离子交换法等；化学法包括化学沉淀法、氧化还原法和电化学法等；生物法包括结合现代科技的植物修复法和生物絮凝法等。传统的处理重金属废水的物理法、化学法存在一些固有缺陷，如能耗高、运行成本高、处理不完全、易造成二次污染、产生的大量含重金属污泥后续处理及处置成本高等。而植物修复法虽然成本低，不会造成二次污染，但生物修复周期长，处理效果受外部环境限制。
电化学法作为一种高效清洁的降解有机污染物的水处理技术，越来越受到国内外学者的青睐。电化学法处理含重金属离子废水具有很多优势，其主要包括：第一、对重金属离子的选择性高，处理效果好；第二、操作得当的情况下，形成的重金属沉淀可回收利用，无二次污染；第三、工艺成熟，运行设备占地面积小，节省空间，易于操作；第四、重金属离子在静电力作用下迁移，而不是随机扩散方式，从而加速了处理速度，尤其在初始浓度低时更为显著。其中电沉积法是利用电解过程中金属离子在阴极被还原析出，进而回收废水中重金属的方法。所以电沉积法具有固体方便收集，经济效益好的独特优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种电化学曝氮气处理重金属废水的方法，为了解决重金属造成的环境污染所面临的问题，本发明通过电化学中的电沉积法，同时将曝氮气技术引入电化学方法中，从而使重金属离子在阴极还原，有效的去除废水中重金属离子，使之无害化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电化学协同曝氮气降解废水中重金属离子的方法，利用电化学曝氮气处理装置，方法如下：将含有重金属离子的废水置于容器内，先打开曝氮气装置、传输泵和气源，调节控制阀和流量计控制气体流量，使气体经管路流入曝氮气装置后进入容器内，然后接通电源，调节直流电源电压，进行电沉积；所述电化学曝氮气处理装置的结构为：容器安装在底座上，容器内设有环状阳极板、环状阴极板和曝氮气装置，曝氮气装置安装在容器的中心位置，以曝氮气装置为中心，向外依次安装环状阴极板和环状阳极板，底座上设有直流电源，环状阳极板和环状阴极板分别与直流电源的正负极连接，曝氮气装置通过管路依次连接流量计、控制阀、传输泵和气源。
进一步的，上述的方法，调节含有重金属离子的废水的pH为3-4，调节反应温度在35-45℃之间，调节直流电源电压为3.5V-4V，调节气体流量为8L/min，电沉积6-8小时。
进一步的，上述的方法，所述重金属离子为Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+或Cr3+。
进一步的，上述的方法，环状阳极板、环状阴极板和曝氮气装置同轴。
进一步的，上述的方法，所述环状阳极板和所述环状阴极板为网状结构或孔状结构。
进一步的，上述的方法，所述环状阳极板为钌铱涂层钛网。
进一步的，上述的方法，所述环状阴极板为不锈钢网。
进一步的，上述的方法，所述曝氮气装置是圆柱形筒体上设有若干通气孔。
进一步的，上述的方法，所述气源为氮气气源、二氧化碳气源或惰性气体气源。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的装置，阳极板和阴极板为网状或孔状，使极板的表面积得到提升，金属沉积效果增强，相对于普通极板降低成本。
(2)本发明的装置，在容器中心位置设置了曝氮气装置，气体经曝氮气装置进入容器内，降低了水中溶解氧，如果溶解氧含量过高会使已经沉积的重金属返溶的现象更加明显。因此当曝氮气装置将气体以曝气形式通入容器内时，会使废水中的溶解氧含量降低，提高重金属沉积率，同时产生的气体气流起到搅拌作用从而增加了废水与极板之间良好的接触，为重金属离子在废水中扩散、传质、反映、混合以及重金属沉积提供动力。
附图说明
图1为本发明电化学曝氮气处理装置的结构示意图。
图2为曝氮气装置的结构示意图。
图3为对比例1处理重金属废水的装置的结构示意图。
图4为对比例2处理重金属废水的装置的结构示意图。
图中，1——容器；2——环状阳极板；3——环状阴极板；4——底座；5——曝氮气装置；5-1——筒体；5-2——通气孔；6——流量计；7——控制阀；8——传输泵；9——气源；2’——平面阳极板；3’——平面阴极板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、优点和效果更加清楚明白，下面将参考附图并结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
(一)电化学曝氮气处理装置
如图1和图2所示，本发明采用的电化学曝氮气处理装置，结构如下：
容器1为圆柱形，为不锈钢材料所制。
底座4上设有直流电源，容器1安装在底座4上。
容器1内设有环状阳极板2、环状阴极板3和曝氮气装置5，曝氮气装置5安装在容器1的中心位置，以曝氮气装置5为中心，向外依次安装环状阴极板3和环状阳极板2，环状阳极板2和环状阴极板3分别与直流电源的正负极连接。环状阳极板2、环状阴极板3和曝氮气装置5同轴。
曝氮气装置5是圆柱形筒体5-1上设有若干通气孔5-2，曝氮气装置5通过管路依次连接流量计6、控制阀7、传输泵8和气源9。
优选的，环状阳极板2和环状阴极板3为网状结构或孔状结构，便于水的流通。本实施例环状阳极板2为钌铱涂层钛网。环状阴极板3为不锈钢网。
优选的，所述气源9为氮气气源、二氧化碳气源或惰性气体气源。本实施例气源采用氮气。
(二)一种电化学协同曝氮气降解废水中重金属离子的方法
利用如图1所示的电化学曝氮气处理装置，方法如下：将含有Cu2+浓度为30mg/L的废水置于容器1内，调节废水的pH为3-4，先打开曝氮气装置5、传输泵8和氮气气源9，调节控制阀7和流量计6控制气体流量为8L/min，使气体经管路流入曝氮气装置后通过通气孔5-2进入容器1内，然后接通电源，调节直流电源电压为3.5V-4V，调节反应温度在35-45℃之间，进行电沉积6-8小时。结果如表1。
(三)对比例1
装置：如图3所示，处理重金属废水的装置由容器1、平面阳极板2’、平面阴极板3’、底座4和直流电源构成；容器1安装在底座4上，平面阳极板2’和平面阴极板3’安装在容器1内，且呈间隔对立放置。平面阳极板2’为钌铱涂层钛网与直流电源的正极连接；平面阴极板3’为不锈钢网与直流电源的负极连接。
处理重金属废水的方法：将含有Cu2+浓度为30mg/L的废水置于容器1内，调节废水的pH为3-4，接通电源，调节直流电源电压为3.5V-4V，调节反应温度在35-45℃之间，进行电沉积6-8小时。结果如表1。
(四)对比例2
装置：如图4所示，处理重金属废水的装置由容器1、环状阳极板2、环状阴极板3、底座4和直流电源构成；容器1安装在底座4上，环状阳极板2和环状阴极板3安装在容器1内，环状阴极板3在内圈，环状阳极板2在外圈，环状阳极板2和环状阴极板3同轴，环状阳极板2为钌铱涂层钛网与直流电源的正极连接；环状阴极板3为不锈钢网与直流电源的负极连接。
处理重金属废水的方法：将含有Cu2+浓度为30mg/L的废水置于容器1内，调节废水的pH为3-4，接通电源，调节直流电源电压为3.5V-4V，调节反应温度在35-45℃之间，进行电沉积6-8小时。结果如表1。
表1
对比例1 对比例2 本发明
Cu<sup>2+</sup>沉积率 56％ 61％ 73％
反溶速率拟合直线斜率常数 1.65 0.69
由表1可见，采用本申请的装置处理含铜重金属废水，Cu2+沉积率显著提高，反溶速率拟合直线斜率常数相对于对比例2降低了58％。
以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电化学协同曝氮气降解废水中重金属离子的方法，其特征在于，利用电化学曝氮气处理装置，方法如下：将含有重金属离子的废水置于容器(1)内，先打开曝氮气装置(5)、传输泵(8)和气源(9)，调节控制阀(7)和流量计(6)控制气体流量，使气体经管路流入曝氮气装置(5)后进入容器(1)内，然后接通电源，调节直流电源电压，进行电沉积；所述电化学曝氮气处理装置的结构为：容器(1)安装在底座(4)上，容器(1)内设有环状阳极板(2)、环状阴极板(3)和曝氮气装置(5)，曝氮气装置(5)安装在容器(1)的中心位置，以曝氮气装置(5)为中心，向外依次安装环状阴极板(3)和环状阳极板(2)，底座(4)上设有直流电源，环状阳极板(2)和环状阴极板(3)分别与直流电源的正负极连接，曝氮气装置(5)通过管路依次连接流量计(6)、控制阀(7)、传输泵(8)和气源(9)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调节含有重金属离子的废水的pH为3-4，调节反应温度在35-45℃之间，调节直流电源电压为3.5V-4V，调节气体流量为8L/min，电沉积6-8小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重金属离子为Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+或Cr3+。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，环状阳极板(2)、环状阴极板(3)和曝氮气装置(5)同轴。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环状阳极板(2)和所述环状阴极板(3)为网状结构或孔状结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环状阳极板(2)为钌铱涂层钛网。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环状阴极板(3)为不锈钢网。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曝氮气装置(5)是圆柱形筒体(5-1)上设有若干通气孔(5-2)。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气源(9)为氮气气源、二氧化碳气源或惰性气体气源。
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