CN114506905B - 一种处理含重金属离子废水的电化学方法 - Google Patents

一种处理含重金属离子废水的电化学方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种处理含重金属离子废水的电化学方法。电极区内设有交替布置的阴极室与阳极室，采用半透性折叠隔离物隔离，阴极室与阳极室的进水端相互连通，阴极室/阳极室出水汇合后单独排出，废水分别进入阴阳极室内；利用阴极析氢反应产生的OH‑离子和重金属离子反应形成难容性的氢氧化物沉积于阴极表面；在水流与阴极产生的气泡双重作用下沉积的氢氧化物从阴极表面脱落，随阴极室出水排出，或落入电极区下方的泥斗中，再从泥斗排出。本发明将阴极极水与阳极极水进行简易有效的分流，促进阴极极水中重金属离子通过形成氢氧化物沉淀而被高效去除，不会引入化学杂质，使得产生的重金属氢氧化物纯度高，可回用于生产。

Description

一种处理含重金属离子废水的电化学方法
技术领域
本发明涉及了一种处理含重金属离子的废水的方法，尤其是涉及一种处理电镀与铜箔生产过程中产生的漂洗废水的电化学方法。
背景技术
电镀与铜箔生产过程中常产生大量漂洗废水。这些漂洗废水含有镍、铜等重金属离子，既具有很大的毒性，又具有很高回收价值。
目前，处理上述漂洗废水的主要方法有化学沉淀法、离子交换法与膜分离法。化学沉淀法的主要优点是设备简单，投资省，但该法需要消耗大量化学药品，而且由于有大量化学杂质的引入，产生的沉淀物难以直接回用于生产。离子交换法的优点是处理效率高，但该法需要对失效离子交换树脂进行反复再生，操作繁琐，而且再生废液中也引入了大量的化学杂质，同样难以直接回用于生产。随着膜分离技术的快速发展，膜分离法在电镀与铜箔生产漂洗废水中的应用日趋增加。漂洗废水经过反渗透处理后，分离成为淡水与浓水，其中淡水作为去离子水制备系统的原水进行回收，而浓水则采用反渗透与纳滤予以进一步浓缩，最终所得高浓度的浓缩液回用于生产。上述膜分离法处理效果好，处理过程中不会引入杂质，浓缩液可全部回收，但涉及的膜分离级数多，投资与运行费用高。
发明内容
为了克服以上背景技术所存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种对电镀与铜箔制造等生产过程中产生的漂洗废水进行简易预处理的电化学方法，以回收大部分重金属组分，并大幅节省后续处理的费用。
本发明采用的技术方案是：
电极区内设有沿水平交替布置的阴极室与阳极室，两者采用离子可透过但水流不能穿越的半透性折叠隔离物隔离，有效抑制酸度较高的阳极极水进入阴极室；
所有阴极室与阳极室的进水端相互连通，所有阴极室出水汇合后单独排出，所有阳极室出水汇合后也单独排出；
含有重金属离子的废水分别进入电极区的阴极室与阳极室内：
处理过程中，利用阴极析氢反应产生的OH-离子与进入阴极室的废水中的重金属离子反应形成难容性的氢氧化物沉积于阴极表面，使废水中的重金属离子获得有效去除；
同时，在水流与阴极产生的气泡双重作用下所沉积的氢氧化物从阴极表面脱落，脱落的氢氧化物或以悬浮颗粒的形态随阴极室出水排出，或以沉渣的形态落入电极区下方的泥斗中，再从泥斗排出。
所述半透性折叠隔离物或为离子交换膜，或为微滤膜，或为500-800目的微孔滤布。
进入阳极室的合计水流量占总废水流量的2-20％，进入阴极室的合计水流量占总废水流量的80-98％。
电化学处理过程中的电流密度控制在50-500A/m2。
方法采用电化学装置，所述的电化学装置内的电极区设有上下敞通的至少2个阴极室和至少1个阳极室，阴极室内布置阴极，阳极室内布置阳极，阴极室和阳极室间隔交替布置，阴极室和阳极室两者之间用离子可通过但水流不能穿越的半透性折叠隔离物隔离；半透性折叠隔离物与阴极之间设有绝缘夹板，半透性折叠隔离物与阳极之间设有绝缘网。
所述的电化学装置内设置有进水区、电极区、阳极室出水槽和阴极室出水槽，进水区和电极区连通，电极区分别和阳极室出水槽、阴极室出水槽连通，电化学装置底部内设有泥斗，进水区、电极区底部均和泥斗连通；所述的进水区开设有连接进水阀的入口，阳极室出水槽开设有连接阳极室出水阀的出口，阴极室出水槽开设有连接阴极室出水阀的出口，泥斗底部开设有连接排泥阀的出口。
所述的阳极室出水槽布置于进水区上方但和进水区隔离不连通，阳极室出水槽和进水区位于电极区的同一侧，阴极室出水槽位于电极区的另一侧，进水区和电极区底部之间连通，电极区顶部分别和阳极室出水槽、阴极室出水槽连通。
所述的电极区中的每个阳极室与阳极室出水槽之间的隔板顶部均设有凹形阳极室溢流出水口，各阳极室出水经凹形阳极室溢流出水口流入到阳极室出水槽，在阳极室出水槽汇合后通过阳极室出水阀排出；电极区中的每个阴极室与阴极室出水槽之间的隔板顶部均设有凹形阴极室溢流出水口，各阴极室出水经凹形阴极室溢流出水口流入到阴极室出水槽，在阴极室出水槽汇合后通过阴极室出水阀排出。
所述半透性折叠隔离物通过折叠构成U形，U形敞开端口正对阳极室溢流出水口。
所述的半透性折叠隔离物与绝缘网两侧所述的绝缘夹板的同一端垂直折弯，使得两侧的两个绝缘夹板围成U形，U形敞开端口也正对阳极室溢流出水口；相邻两个阴极之间的两个绝缘夹板在阳极的两侧对称布置，将两个阴极之间的阳极、阳极两侧的半透性折叠隔离物与绝缘网紧压在绝缘夹板围成的U形腔体内。
本发明具有的有益效果是：
1)阴极极水与阳极极水获得简易而有效的分流，有效抑制酸度较高的阳极极水进入阴极室，促进阴极极水中重金属离子通过形成氢氧化物沉淀而被高效去除。
2)处理过程中无需投加化学药剂，不会引入化学杂质，使得产生的重金属氢氧化物纯度高，可回用于生产。
本发明适用于电镀与铜箔行业生产过程中产生的漂洗废水的资源化回收处理。此外，本发明也适用于循环冷却水的处理。
附图说明
图1是本发明结构原理俯视图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图1的B-B剖视图。
图4是图1的C-C剖视图。
图中：1、电化学装置，2、进水区，3、电极区，4、阳极室出水槽，5、阴极室出水槽，6、泥斗，7、进水阀，8、阳极室溢流出水口，9、阳极室出水阀，10，阴极室溢流出水口，11、阴极室出水阀，12、排泥阀，13、阴极，14、阳极，15、绝缘夹板，16、绝缘网，17、半透性折叠隔离物，18、阴极室，19、阳极室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图2和图3所示，具体实施采用电化学装置1内的电极区3设有上下敞通的至少2个阴极室18和至少1个阳极室19，阴极室18内的中间布置阴极13，阳极室19内的中间布置阳极14，阴极室18和阳极室19沿水平方向间隔交替布置，如图1所示，阴极室18和阳极室19两者之间用离子可通过但水流不能穿越的半透性折叠隔离物17隔离；半透性折叠隔离物17与阴极13之间设有绝缘夹板15以进行隔离，半透性折叠隔离物17与阳极14之间设有绝缘网16以进行隔离。
电化学装置1上部内设置有进水区2、电极区3、阳极室出水槽4和阴极室出水槽5，进水区2和电极区3连通，电极区3分别和阳极室出水槽4、阴极室出水槽5连通，电化学装置1底部内设有泥斗6，进水区2、电极区3底部均和泥斗6连通；
进水区2开设有连接进水阀7的入口，阳极室出水槽4开设有连接阳极室出水阀9的出口，阴极室出水槽5开设有连接阴极室出水阀11的出口，泥斗6底部开设有连接排泥阀12的出口。
废水从进水阀7流入进水区2，从进水区2底部流入到阴极室18和阳极室19内进行电化学处理，每个阳极室19的出水经过凹形阳极室溢流出水口8流入到阳极室出水槽4再经阳极室出水阀9流出，每个阴极室18的出水经过凹形阴极室溢流出水口10流入到阴极室出水槽5再经阴极室出水阀11流出，同时电化学的沉积物脱落到泥斗6中，经排泥阀12排出。
泥斗6底部为上大下小的喇叭口形。
阳极室出水槽4布置于进水区2上方但和进水区2隔离不连通，阳极室出水槽4和进水区2位于电极区3的同一侧，阴极室出水槽5位于电极区3的另一侧，进水区2和电极区3底部之间连通，电极区3顶部分别和阳极室出水槽4、阴极室出水槽5连通。
流过阳极室19与阴极室18的废水流量通过调节阳极室出水阀9与阴极室出水阀11的开启度加以调整。
如图3和图4所示，电极区3中的每个阳极室19与阳极室出水槽4之间的隔板顶部均设有凹形阳极室溢流出水口8，凹形阳极室溢流出水口8数量与阳极室19个数相同，各阳极室19出水经凹形阳极室溢流出水口8流入到阳极室出水槽4，在阳极室出水槽4汇合后通过阳极室出水阀9排出；
电极区3中的每个阴极室18与阴极室出水槽5之间的隔板顶部均设有凹形阴极室溢流出水口10，凹形阴极室溢流出水口10数量与阴极室18个数相同，各阴极室18出水经凹形阴极室溢流出水口10流入到阴极室出水槽5，在阴极室出水槽5汇合后通过阴极室出水阀11排出。
半透性折叠隔离物17通过折叠构成U形，U形敞开端口正对阳极室溢流出水口8。
绝缘夹板15厚度为3-10mm，中心区域开有宽度为20-80mm的一个或多个竖直通道，竖直通道供阴极室18内水流的流动以及离子的迁移，竖直通道间形成设有宽度为3-6mm的竖条，用以提升绝缘夹板的强度并固定半透折叠隔离物17。
半透性折叠隔离物17与绝缘网16两侧绝缘夹板15的同一端垂直折弯，使得两侧的两个绝缘夹板15围成U形，U形敞开端口也正对阳极室19和阳极室溢流出水口8；相邻两个阴极13之间的两个绝缘夹板15在阳极14的两侧对称布置，将两个阴极13之间的阳极14、阳极14两侧的半透性折叠隔离物17与绝缘网16紧压在绝缘夹板15围成的U形腔体内。
绝缘网16主要用作阳极室内水流与气泡的流道，孔径为3-50mm，厚度为1-5mm。
如图1和图2所示，这样电极区内设有沿水平交替布置的阴极室与阳极室，阴极室与阳极室均为竖直的腔室，两者采用离子可透过但水流不能穿越的半透性折叠隔离物隔离；所有阴极室与阳极室的进水端相互连通，各阴极室与各阳极室内部的废水各自独立流动；所有阴极室出水汇合后单独排出，所有阳极室出水汇合后也单独排出；含有重金属离子的废水分别进入电极区的阴极室与阳极室内，进行电化学处理，电化学处理过程中的电流密度控制在50-500A/m2。
处理过程中，利用阴极析氢反应产生的OH-离子与进入阴极室的废水中的重金属离子反应形成难容性的氢氧化物沉积于阴极表面，使废水中的重金属离子获得有效去除；
同时，在水流与阴极产生的气泡双重作用下所沉积的氢氧化物能顺利从阴极表面脱落，脱落的氢氧化物或以悬浮颗粒的形态随阴极室出水排出，或以沉渣的形态落入电极区下方的泥斗中，再从泥斗排出。气泡是由阴极产生氢气而形成。
阴极室出水所含的氢氧化物颗粒物尺寸超过0.5mm，而且较密实，无需进一步聚集成大颗粒，通过快速沉淀或滤布过滤等简易方法实现有效的固液分离，固液分离后所得出水作为去离子水制备系统的原水回用，固液分离后所得的沉渣或滤饼以及落入泥斗中的重金属氢氧化物均用硫酸溶解后回收用于生产。
半透性折叠隔离物或为离子交换膜，或为微滤膜，或为500-800目的微孔滤布，能有效阻制阴极室与阳极室之间水流互混，大幅提升阴极室内废水的pH值，从而显著加快电沉积速率。
实施例：
含镍107mg/L，pH值为6.16的电镀镍漂洗废水采用本发明技术进行处理。阴极为网状金属钛，高×宽×厚＝180mm×80mm×1.7mm，数量为2个；阳极为网状DSA类电极，高×宽×厚＝180mm×80mm×1.7mm，数量为1个；相邻电极间净间距为14mm；半透性折叠隔离物为500目的微孔滤布。操作条件如下：水温为11-12℃，电流密度为90A/m2，阴极室合计废水流量为6.2L/h，阳极室废水流量为1.4L/h，电压为31.3V。运行结果如下：阴极室出水pH值为3.82，阳极室出水pH值为2.17，阴极室出水含镍量为43.4mg/L，获得的沉渣含镍量超过90g/L。

Claims (10)

1.一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：
电极区内设有沿水平交替布置的阴极室与阳极室，两者采用离子可透过但水流不能穿越的半透性折叠隔离物隔离，有效抑制酸度较高的阳极极水进入阴极室；所有阴极室与阳极室的进水端相互连通，所有阴极室出水汇合后单独排出，所有阳极室出水汇合后也单独排出；含有重金属离子的废水分别进入电极区的阴极室与阳极室内：
处理过程中，利用阴极析氢反应产生的OH-离子与进入阴极室的废水中的重金属离子反应形成难容性的氢氧化物沉积于阴极表面，使废水中的重金属离子获得有效去除；
同时，在水流与阴极产生的气泡双重作用下所沉积的氢氧化物从阴极表面脱落，脱落的氢氧化物或以悬浮颗粒的形态随阴极室出水排出，或以沉渣的形态落入电极区下方的泥斗中，再从泥斗排出。
2.根据权利要求1所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：所述半透性折叠隔离物或为离子交换膜，或为微滤膜，或为500-800目的微孔滤布。
3.根据权利要求1所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：进入阳极室的合计水流量占总废水流量的2-20%，进入阴极室的合计水流量占总废水流量的80-98%。
4.根据权利要求1所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：电化学处理过程中的电流密度控制在50-500A/m2。
5.根据权利要求1所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：方法采用电化学装置（1），所述的电化学装置（1）内的电极区（3）设有上下敞通的至少2个阴极室（18）和至少1个阳极室（19），阴极室（18）内布置阴极（13），阳极室（19）内布置阳极（14），阴极室（18）和阳极室（19）间隔交替布置，阴极室（18）和阳极室（19）两者之间用离子可通过但水流不能穿越的半透性折叠隔离物（17）隔离；半透性折叠隔离物（17）与阴极（13）之间设有绝缘夹板（15），半透性折叠隔离物（17）与阳极（14）之间设有绝缘网（16）。
6.根据权利要求5所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：所述的电化学装置（1）内设置有进水区（2）、电极区（3）、阳极室出水槽（4）和阴极室出水槽（5），进水区（2）和电极区（3）连通，电极区（3）分别和阳极室出水槽（4）、阴极室出水槽（5）连通，电化学装置（1）底部内设有泥斗（6），进水区（2）、电极区（3）底部均和泥斗（6）连通；
所述的进水区（2）开设有连接进水阀（7）的入口，阳极室出水槽（4）开设有连接阳极室出水阀（9）的出口，阴极室出水槽（5）开设有连接阴极室出水阀（11）的出口，泥斗（6）底部开设有连接排泥阀（12）的出口。
7.根据权利要求6所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：所述的阳极室出水槽（4）布置于进水区（2）上方但和进水区（2）隔离不连通，阳极室出水槽（4）和进水区（2）位于电极区（3）的同一侧，阴极室出水槽（5）位于电极区（3）的另一侧，进水区（2）和电极区（3）底部之间连通，电极区（3）顶部分别和阳极室出水槽（4）、阴极室出水槽（5）连通。
8.根据权利要求6所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：所述的电极区（3）中的每个阳极室（19）与阳极室出水槽（4）之间的隔板顶部均设有凹形阳极室溢流出水口（8），各阳极室（19）出水经凹形阳极室溢流出水口（8）流入到阳极室出水槽（4），在阳极室出水槽（4）汇合后通过阳极室出水阀（9）排出；
电极区（3）中的每个阴极室（18）与阴极室出水槽（5）之间的隔板顶部均设有凹形阴极室溢流出水口（10），各阴极室（18）出水经凹形阴极室溢流出水口（10）流入到阴极室出水槽（5），在阴极室出水槽（5）汇合后通过阴极室出水阀（11）排出。
9.根据权利要求8所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：所述半透性折叠隔离物（17）通过折叠构成U形，U形敞开端口正对阳极室溢流出水口（8）。
10.根据权利要求8所述的一种处理含重金属离子废水的电化学方法，其特征在于：所述的半透性折叠隔离物（17）与绝缘网（16）两侧所述的绝缘夹板（15）的同一端垂直折弯，使得两侧的两个绝缘夹板（15）围成U形，U形敞开端口也正对阳极室溢流出水口（8）；相邻两个阴极（13）之间的两个绝缘夹板（15）在阳极（14）的两侧对称布置，将两个阴极（13）之间的阳极（14）、阳极（14）两侧的半透性折叠隔离物（17）与绝缘网（16）紧压在绝缘夹板（15）围成的U形腔体内。
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含铬废水的电化学法处理技术及研究进展;李彦娟等;《应用化工》;20210831;第50卷(第8期);第2226-2232段 *

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