CN113072148A - 利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，包括恒流源、恒压源、电极板、多匝线圈组以及溶液循环装置，所述恒流源和多匝线圈组相连接，恒压源和电极板相连接，电极板和多匝线圈组垂直设置，所述溶液循环装置包括开口容器，开口容器置于电极板和多匝线圈组的中心位置，确保开口容器处于均匀电磁场中。本发明装置可有效分离不同的金属离子，因而可用于重金属废水的净化处理和重金属分类回收再利用；本发明装置也可以用于重金属浓度检测预处理等。

Description

利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种利用均匀电磁复合场处理废水中带电金属离子的装置。
背景技术
水资源在国民经济发展和社会生产中发挥着重要的作用，同时也是人们生活中不可缺少的一部分。但是随着工农业的迅速发展，工业废水大量排放，使得水体重金属污染日益严重。重金属废水一般来源于矿山开采、金属冶炼与加工、电镀、制革、农药、造纸、油漆、印染、核技术及石油化工等行业。重金属难以生物降解且易被生物吸收富集，毒性具有持续性，是一类具有潜在危害的污染物，对生态环境及人体健康造成严重的威胁。然而，重金属作为一类重要的宝贵的资源，又具有很高的使用价值。如果将废水中的重金属作为一种资源来回收，不但解决了重金属的污染，而且还具有一定的经济效益。因此，如何有效治理水体重金属污染，保护人类健康和生态环境，同时回收利用重金属，缓解我国资源和环境的压力，是当前不可忽略的问题。
目前，去除废水中重金属离子的主要办法有吸附法、离子交换法、膜分离法、电化学法等传统物理、化学方法，以及植物修复法等生物方法。传统的化学方法需要化学试剂投放容易造成二次污染，植物修复法绿色环保但修复周期长，利用电、磁等物理方法处理重金属废水越来越受到研究者的青睐。目前电解法是国际上重金属废液处理工艺研究最活跃的领域之一，电解过程中离子行为有阳极过程、液相传质、阴极过程，电沉积属于其中的阴极过程。电沉积技术随着其反应器结构、电极材料的发展而不断发展：反应器由传统的二维反应器发展到三维反应器，因其更大的比表面积和更高的传质速率而具有较高的电流效率和单位时空产率，从而具有更高的金属沉积效率，2020年，张嘉恒采用石墨烯气凝胶(GA)三维电极形成阴阳极，将其用作粒子电极构筑三维电极反应器用于含亚甲基蓝污水的处理，降解率达98%，高于二维电极(89%)以及石墨烯气凝胶单纯吸附(82%)的降解率；电沉积系统的阴极从最初的石墨电极、钛电极逐步发展到现在采用纳米技术修饰的电极材料，极大的改善了电极的沉积性能，魏红利用特殊形貌的纳米材料对电极进行修饰，利用电沉积技术实现了近岸海水中低浓度微量金属元素的快速检测，其中，球形Au@MnO2修饰电极对海水中铜离子检测的线性范围为20 nmol/L~1μmol/L，检测限为5 nmol/L，而树枝状纳米金/多孔还原氧化石墨烯修饰电极对海水中硒的检测线性范围为3 nmol/L~300 nmol/L，检测限为0.9nmol/L。
电沉积因具有无二次污染、简单易操作、沉淀金属可回收利用等优势被广泛应用于重金属废水处理领域，尤其是对高纯度贵金属（Au、Ag、Ni等）的回收具有很高的经济价值，因而电沉积技术在电镀、电子等行业废水资源化处理领域有很大发展前景。但是电沉积在低浓度废水的处理效果较差，而且对于混合重金属废水，不同重金属分离回收时的分离效率仍需深入研究。
发明内容
本发明提出了一种利用均匀电磁复合场处理废水中带电金属离子的装置，能够对混合重金属废水，同时去除多种重金属离子，并实现各种重金属的回收再利用，本发明旨在提供一种利用均匀电磁复合场处理废水中带电金属离子的循环净化装置，具有环保、高效、经济、安全等优点，适用于重金属废水净化处理。
本发明利用一组平行电极板在废水流经的区域内生成了与流速方向垂直的均匀电场，并配合亥姆霍兹线圈在均匀电场区域内生成了与流速方向和电场方向均垂直的均匀磁场，综合了电场、磁场对带电金属离子的相互作用，可同时沉积多种重金属离子并将不同的重金属离子沉积到阴极板上不同的区域，有效提高了不同重金属的分离率，提高了重金属的回收纯度。同时，洛伦兹力和静电力共同作用于重金属离子，使其迁移速率和效率都得到了提高。
实现本发明的技术方案是：
一种利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，包括恒流源、恒压源、电极板、多匝线圈组以及溶液循环装置，所述恒流源和多匝线圈组相连接，恒压源和电极板相连接，电极板和多匝线圈组垂直设置，所述溶液循环装置包括开口容器，开口容器置于电极板和多匝线圈组的中心位置，确保开口容器处于均匀电磁场中。
所述开口容器的前后两侧分别设有进水口和出水口，进水口和出水口各连接一个蠕动泵，开口容器的左右两侧分别设有左右开口，左右开口紧贴电极板设置。
所述溶液循环装置还包括依次相连的蠕动泵、净化池和废液池，蠕动泵与进水口和出水口分别相连，废水通过蠕动泵循环于净化池、废液池与开口容器之间，以一定的流速多次循环穿过均匀电磁复合场。
所述电极板包括正电极板和负电极板，电极板采用Chang氏电极，剖面满足
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
。
所述正电极板和负电极板平行放置，贴于开口容器的左右两侧设置，电极板间电场方向垂直于废水溶液流速方向，废水溶液流经开口容器可由左右两侧的缝隙接触阴、阳两极板，极板间电场方向垂直于废水溶液流速方向。
所述多匝线圈组包括3组同轴线圈，线圈间距与线圈半径之比为3：4，流经中间线圈的电流与两边线圈电流之比为0.53。
所述多匝线圈组的电流范围为0.5A~8A。
所述电极板之间的电压范围为0.2V~5V。
所述的装置在处理废水中带电重金属离子中的应用。
本发明技术原理如下：废水中的带电金属离子在与电场强度和磁场强度垂直的方向进入均匀电磁场，分别受到电场和磁场的力的作用，其中电场力
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
，洛伦兹力
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
。在电场作用下，带正电的金属离子的运动轨迹会沿着电场线方向发生偏转；当离子速度垂直于磁场强度时，会在垂直于磁场强度的平面内做匀速圆周运动。在本发明装置的均匀电磁复合场中，金属离子在电场力和洛伦兹力的合力作用下在电场方向与流速方向组成的平面内做曲线运动，金属离子在电场方向上的偏转距离为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008
，同时金属离子在流速方向上的运动距离为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE010
。本发明可以根据废水中金属离子的种类，调节电场强度和磁场强度的大小，调节重金属废水的流速，使重金属离子在电场和磁场的共同作用下按照预先设定的轨迹发生偏转，最终沉积在阴极板预先设定的区域内。在废水处理的过程中，洛伦兹力具有分离不同带电离子运行轨迹以及延长带电离子在净化装置中停留时间的作用，有效提高了金属离子的吸附效率，一方面为后期重金属离子检测及再利用提供了便利，另一方面增加了废水的净化率。此外，磁场处理可增加水的含氧量，从而产生杀菌效果。
本发明装置采用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子时，在开口容器进水口和出水口分别连接蠕动泵以实现废水从存储装置到开口容器之间的循环，增加废水在均匀电磁场中的穿过次数，提高金属离子的富集效率；在两极板上加电压，带电金属离子在电场力的作用下向阴极板运动，同时在多匝线圈组中接入恒流源，在洛伦兹力作用下，带电金属离子的运动轨迹发生偏转。在电场力和洛伦兹力的双重作用下，带电金属离子的迁移速度增加，不同种类的离子因为质量或带电量的不同，其运动轨迹发生分离，最终在阴极板上获得电子，富集到阴极板的不同区域。
某些工业生产中产生的工业废水，如冶金工业中产生的硫酸废液，电池工业中产生的硫酸废液等，这些废水中的重金属离子含量较高，若采用化学萃取分离方法容易造成二次污染，若采用电沉积方法无法进行有效的分离检测及资源回收利用，这时可利用均匀电磁场代替原本的纯电场对带电金属离子产生作用。采用均匀电磁复合场收集处理重金属废水时，金属阳离子可以在阴极板上获得电子并沉积，不同种类的重金属离子富集的区域不同，能够用以金属的回收再利用，在富集处理废水中重金属的同时，还可以联立检测装置对重金属离子分别检测，达到对环境的监控功能。不仅能够减少二次环境污染，降低化工原料和能源的消耗，还具有显著的工业应用价值和环境效益。
本发明的有益效果是：
（1）本发明在原本利用电场富集的基础上使用了均匀电磁复合场，在电场和磁场的共同作用下，增加了带电离子的迁移速度和在场中停留的时间，使带电粒子在场中的停留时间大于水力停留时间，可有效提高金属离子的富集效率和废水的净化效率；
（2）本装置基于两个蠕动泵建立了循环系统，增加了废水在均匀电磁复合场中的穿过次数，避免废水出现静止状态，避免浓差极化的产生，提高净化效率；
（3）根据废水中重金属离子的种类和含量的不同，调控电场强度和磁场强度的强弱，使得重金属离子按照预设的轨迹运动，更有效的做到重金属离子的分区域富集，以便回收再利用；
（4）均匀电磁复合场处理金属废水，投资成本低，无二次污染，且处理效果优于仅采用电场或磁场处理废水；
（5）本发明装置可有效分离不同的金属离子，因而可用于重金属废水的净化处理和重金属分类回收再利用，也可以用于重金属浓度检测预处理等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明装置结构示意图。
图2为电极板和多匝线圈组放置示意图。
图3和4为开口容器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，包括恒流源1、恒压源2、电极板3、多匝线圈组4以及溶液循环装置，所述溶液循环装置还包括依次相连的蠕动泵5、净化池7和废液池8，所述恒流源1和多匝线圈组4相连接，恒压源2和电极板3相连接，电极板3和多匝线圈组4垂直设置，所述溶液循环装置包括开口容器6，开口容器6置于电极板3和多匝线圈组4的中心位置（图2）。
如图3所示，所述开口容器6的前后两侧分别设有进水口6-1和出水口6-2，进水口6-1和出水口6-2各连接一个蠕动泵5，开口容器6的左右两侧分别设有左右开口6-3，左右开口6-3紧贴电极板3设置，容器处于两电极板间中心位置，两者共同处于多匝线圈组的中心位置。
本实施例中装置参数为：两极板尺寸200×200mm，厚度1mm，采用纯铝制成，极板间距为50mm，每组线圈20匝，线圈直径250mm，每两组之间间距为66mm。将含有Cu2+和Pb2+的溶液置于废液池8中，打开两个蠕动泵5，溶液以0.001m/s的流速从进水口进入开口容器6，在溶液进入开口容器6瞬间，在电场和磁场的共同作用下，离子获得向阴极板移动的速度分量，离子运动轨迹发生偏转，同时加速了带电离子的迁移速率，加快了金属离子向阴极板运动运动，最终沉积到阴极板上。洛伦兹力具有分离不同带电离子运动轨迹的作用，调节电场和磁场大小，可有效控制金属离子的运动轨迹。调节极板间电压为1.8V，上下两组线圈电流设置为5A，中间线圈电流设置为2.5A，可看到Cu主要沉积在阴极板前半部分区域，Pb可以沉积在整个阴极板上。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，其特征在于：包括恒流源（1）、恒压源（2）、电极板（3）、多匝线圈组（4）以及溶液循环装置，所述恒流源（1）和多匝线圈组（4）相连接，恒压源（2）和电极板（3）相连接，电极板（3）和多匝线圈组（4）垂直设置，所述溶液循环装置包括开口容器（6），开口容器（6）置于电极板（3）和多匝线圈组（4）的中心位置。
2.根据权利要求1所述的利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，其特征在于：所述开口容器（6）的前后两侧分别设有进水口（6-1）和出水口（6-2），进水口（6-1）和出水口（6-2）各连接一个蠕动泵（5），开口容器（6）的左右两侧分别设有左右开口（6-3），左右开口（6-3）紧贴电极板（3）设置。
3.根据权利要求2所述的利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，其特征在于：所述溶液循环装置还包括依次相连的蠕动泵（5）、净化池（7）和废液池（8），蠕动泵（5）与进水口（6-1）和出水口（6-2）分别相连。
4.根据权利要求1所述的利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，其特征在于：所述电极板（3）包括正电极板和负电极板，电极板（3）采用Chang氏电极，剖面满足
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
5.根据权利要求4所述的利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，其特征在于：所述正电极板和负电极板平行放置，贴于开口容器（6）的左右两侧设置，电极板（3）间电场方向垂直于废水溶液流速方向。
6.根据权利要求1所述的利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，其特征在于：所述多匝线圈组（4）包括3组同轴线圈，线圈间距与线圈半径之比为3：4，流经中间线圈的电流与两边线圈电流之比为0.53。
7.根据权利要求6所述的利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，其特征在于：所述多匝线圈组（4）的电流范围为0.5A~8A。
8.根据权利要求1所述的利用均匀电磁场处理收集废水中带电金属离子的装置，其特征在于：所述电极板（3）之间的电压范围为0.2V~5V。
9.权利要求1-8任一项所述的装置在处理废水中带电重金属离子中的应用。
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