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电解法在工业污水处理中的应用
(一)功能和原理
电解法指在直流电场的作用下,利用电极上产生的氧化还原反应,去除废水中的污染物的方法。用来进行电解的装置叫电解槽,在其中阴极与电源负极相连接,阳极与电源正极相连接。阳极能接纳电子,起了氧化剂的作用;阴极能放出电子,起了还原剂的作用。
电解槽的阳极分为可溶性阳极与不溶性阳极两类。不溶性阳极是用铂、石墨制成的,在电解过程中自身不参与反应,只起传导电子的作用;可溶性阳极是用铁、铝等可溶性金属制成的,在电解过程中自身溶解,金属原子失去电子被氧化成阳离子进入溶液,这些阳离子或沉积于阴极,或形成金属氢氧化物,可作为混凝剂,起凝聚作用。
(二)常用的电解法
废水处理中常用的电解法有以下几种:①电化学氧化法;②电化学还原法;③电解凝聚法;④电解气浮法。
①电化学氧化法
电解槽的阳极既可通过直接的电极反应过程,使污染物氧化破坏(如CN-的阳极氧化),也可通过某些阳极反应产物(如Cl2、CIO-、O2、H2O2等)间接地氧化破坏污染物(例如阳极产物Cl2除氰、除色)。实际上,为了强化阳极的氧化作用,往往投加一定量的食盐,进行所谓的“电氯化”,此时阳极的直接氧化作用和间接氧化作用往往同时起作用。
电化学氧化法主要用于去除水中氛、酚,以及COD、S2-、有机农药(如马拉硫磷)等,亦有利用阳极产物Ag+离子进行消毒处理的。下面介绍两种电解氧化法处理废水的例子。
(a)电解氧化法处理含氰废水
电解含氟废水时,CN-可在阳极直接被氧化,其电极反应分两步进行:第一步将CN-氧化为CNO第二步将CNO-氧化为N2和CO2。电解氧化法除氰的作用原理,类似碱性氯化法处理含氛废水。反应在适当的碱性条件下(pH为9~10)进行,有助于剧毒的氯化氰的水解。
电解处理含氰废水时,通常要往废水中添加一定量(2-3g/L)的食盐。食盐的加入,不仅使溶液导电性增加而且Cl-离子在阳极放电,可产生氯氧化剂,强化了阳极的氧化作用。
电解氧化法除氰时,阳极可用石墨或涂二氧化钛的钛材,阴极可用普通钢板,电流密度一般在9A/dm?以下。为防止有害气体逸人大气,电解槽应采用全封闭式。采用电解法处理含氰废水,可使游CN-浓度降至0.1mg/L以下,并且不必设置沉淀池和泥渣处理设施。
(b)电解氧化法处理含酚废水
电除酚通常都投加食盐,以强化氧化过程,并降低电耗。据试验,食盐的投量为20g/L,电流密采用1.5-6A/dm²时、经6~38min电解处理,废水含酚浓度可从250-600mg/L降至0.8-4.3mg/L。电解精的阴极可使废水中的重金属离子还原出来,沉淀于阴极(称为电沉积),加以回收利用,还可将五价砷(AsO3-或AsO4-)及六价铬(CrO42-或Cr2O72-)分别还原为砷化氢AsH3及Cr2-予以去除或回收。下面介绍两种电化学还原法处理废水的例子。
②电化学还原法
(a)电解还原法处理含铬(V)废水
铬(V)通常以Cr2O72-的形态存在于废水中,在直流电作用下,向阳极迁移,被铁阳极溶蚀产物Fe2+离子所还原。此外,阴极还可以直接还原一部分六价铬。由于H+离子在阴极放电,使废水的pH逐渐提高、Cr3+和Fe3+便形成Cr(OH)3,及Fe(OH)3沉淀。生成的氢氧化铁有凝聚作用,能促进氢氧化络迅速沉淀。据研究,对于六价铬的还原来说,亚铁离子的还原作用是主要的,而阴极的直接还原作用是次要的(约占百分之几),因此,必须采用铁为阳极材料。当用压缩空气进行搅拌时,空气中的氧要消耗部分亚铁离子,因此,空气注入要严格控制,或采用其他搅拌方法。
电化学还原法处理含铬废水,操作管理比较简单。处理效果稳定可靠,含铬电镀废水的六价铬含量可降至0.1me/L以下:水中其他重金属离子亦可通过还原和共沉淀作用得到部分去除。当原水含铬在100mg/L以下时,采用电解法的处理费用不高于化学还原法。但此法主要缺点是钢材耗量较大,污泥处理及利用问题尚未完全解决。
(b)电沉积法去除与回收废水中的重金属离子
废水中的许多重金属离子,如Cu2+、Ag+、Au3+、Ni2+、Cd2+、Hg2+等,都可用电解法在阴极沉积析出。如某含铜3360mg/L的废水,电流密度采用3A/dm²,经10min电解,水中含铜可降至10mg/L以下。又据实验,某含银3-5g/L的电镀废水,电流密度采用0.3A/dm²,经循环电解出水含银为0.6g/L。如欲将金属离子含量降至更低,则会由于电流效率很低而不经济。
③电解凝聚法
电解凝聚(亦称电混凝)是以铝、铁等金属为阳极,在直流电的作用下,阳极被腐蚀,产生Al3+、Fe2+等离子,再经一系列水解、聚合及亚铁的氧化过程,使废水中的胶态杂质、悬浮杂质凝聚沉淀而得以分离。同时,带电的污染物颗粒在电场中向电极移动,其部分电荷被电极中和而促使其脱稳凝聚。
废水进行电解凝聚处理时,用铝电极比铁电极好,因为形成 Fe(OH)3,絮凝体要先经过Fe(OH)2,故比较慢,而形成A1(OH)3则快得多。为了降低成本,可用废铁板及废铝板作电极。
废水进行电解凝聚处理时,不仅对胶态杂质及悬浮杂质有凝聚沉淀作用,而且由于阳极的氧化作用和阴极的还原作用,能去除水中多种污染物。根据试验,用电解凝聚法处理纸厂废水,电极采用铁板,槽电压为10-20V,电解时间为10~15min。该废水的COD高达1500 ~2000mg/L,色度也很高。经处理后,COD 去除率为55%-70%,色度去除率为90%~95%。
电解凝聚比起投加凝聚剂的化学凝聚来,具有一些独特的优点:可去除的污染物广泛,反应迅速(如阳极溶蚀产生Ar3+离子并形成絮凝体只需约0.5min);适用的pH范围广,所形成的沉渣密实,澄清效果好。该法的缺点是极板消耗大量金属,电耗也较高。
④电解气浮法
电解气浮法的原理、设备结构以及优缺点等将在后续的气浮法中予以详细介绍。
(三)电解的运行管理
1.控制极板的间距 极板间距一般约为30~40mm,过大则电压要求高,电耗大;过小不仅安装不便,而且极板材料耗量高。
2.控制槽电压电能消耗与电压有关,槽电压取决于废水的电阻率和极板间距。一般废水的电阻控制在12009·cm。对于导电性能差的废水要投加食盐,以改善导电性能。投加食盐可以降低电压,使电能消耗减少。
3.控制电流密度 废水中污染物浓度较大时,可适当提高电流密度;反之则可降低电流密度。当水中污染物浓度一定时,电流密度越大,则电压越高,处理速率加快,但电能消耗量增加,且副反应数量增加。适宜的电流密度由实验确定,选择污染物去除效率高且耗电量低的点作为运行控制的指标。
4.控制电解槽的pH 不同的污染物进行电解处理时,有不同的最佳pH范围,因此应该严格控制电解槽的pH。
5.搅拌可以促进离子的对流与扩散,减少电极的浓差极化现象,并能起清洁电极表面的作用,防止沉淀物在电解槽中沉淀,通常采用压缩空气对电解槽进行搅拌。
6.注意观察极板的腐蚀和钝化现象,做到及时更换或清洁极板。
7.电解操作间应保证有良好的通风效果,操作人员注意用电安全。
结语:
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