电解法净化含重金属离子废水的试验研究Word格式文档下载.docx
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StudyonPurifyingWastewaterContainingHeavy
MetalIonbyElectrolyticMethod
YUANShao-jun,JIANGBin,LITian-cheng,WNAGDa-wei,LIXin-gang
(Schoolofchemicalengineeringandtechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China
Abstract:
Treatingwastewatercontainingcopperion(Ⅱ
andchromiumion(Ⅲbyelectrolyt2icmethodhadbeenresearchedinthisarticle.Intheexperiment,appropriateelectrolyticreactorvoltagehadbeendeterminedaccordingtosolutionproperty.Thedifferentelectrodematerialhadbeenexperimented.LastlytheeffectsontheremovalrateofheavymentalionshadbeenstudiedthoroughlyunderdifferentconditionsofthevalueofpHinwastewater,thetimeofelectrolysisandtheinitialconcentrationsofsolution.Theoptimumtechnologicalconditionsoftheexperi2menthadbeendefined.
Keywords:
electrolyticmethod;
heavymentalion;
removalrate;
purification
工业废水中所含重金属元素主要有铬、汞、镍、铅、镉、钼、铜和锌等。
重金属离子在
2003年2月Feb.2003 化 学 工 业 与 工 程CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING第20卷 第1期
Vol.20 No.1
自然界中没有自净和生物降解能力,可通过生物链不断富集,对动植物的生命活动造成很大伤害
[1]
。
化工、冶金和采矿等行业所排
放的废水中重金属离子质量浓度可高达105
mgΠL,远远高于最大允许质量浓度。
(依据金属种类和其毒性,5×
10-3mgΠL与5mgΠL之间
[2、3]
理法、法等
[4]
、无二次污
染、所沉积的重金属可回收利用等优点。
此外包括重金属和贵金属,大约30多种废水溶液中的金属离子可进行电沉积[5]
电解法具
有广阔的应用前景,开展这方面的研究工作
具有较强的现实意义。
本试验采用电解法对含Cu
2+、Cr3+
的废
水进行研究,探讨电解处理过程中各影响因素对处理效果的影响,寻求电解过程中的最佳工艺条件,为工业化电解试验提供最佳的操作参数。
1 试验原理
依据重金属离子电极电位的差异[<
(Cu2+ΠCu=013417V;
<
0(Cr3+
ΠCr=-
01774V],Cu2+
在负极表面可被还原为金属
Cu
Cu2+
+2eCu↓
对于Cr3+
水溶液中的溶解的O2首先被还原为OH
-
O2+2H+
+2e
2OH
其后H2O发生电离
2H2O++2e
H2↑+
-生成OH-。
当OH-
达到一定的浓度,与Cr
3+
形成Cr(OH3(其Ksp非常低,以固体碱的形式沉积到反应器底部或阴极附近
Cr3++OH-Cr(OH3↓
2 试验部分
21 ,呈,尺寸2114cm×
1413cm×
9两电极间距为1413cm,浸入水溶液中部分电极板尺寸为1919cm×
913cm。
废水溶液体积为210L。
两电极分别连结到一个直流电场发生器上(量程:
0V~20V具体工艺流程见图1。
1———电极;
2———电解反应器;
3———直流电场发生器
图1 电解试验工艺流程
212 试验方法
本试验所用废水由自来水中加入一定量重金属盐(CuSO4・5H2O和Cr(NO33・9H2O配制而成。
其质量浓度参考了废水处理厂排污口排放的重金属离子的含量。
pH值采用PHS-3C型酸度计测定。
电解处理后待测废水样品用G3玻璃砂芯漏斗过滤后,采用HI2TACHI180-80型原子吸收分光光度计对Cu2+
和Cr3+
含量进行测定。
3 结果与讨论
311 微电解反应器极板材料的选取
电极材料的性质直接影响电解时间和电
能消耗。
本试验选用不锈钢电极、石墨电极和活性碳纤维电极等分别对中性、酸性的
8 化 学 工 业 与 工 程2003年2月
混合液进行试验,其结果见表1。
表1 不同电极材料处理效果的比较
电极材料阴极Π阳极
电解时间Π
hpH
电流密度Π
(A・m-2
离子种类
起始质量浓度Π
(・L-1
Π
L-去除率
%不锈钢Π不锈钢
石墨Π不锈钢
活性碳纤维Π不锈钢
210
6151159
20
2112106151158
212
20196
2106151127
22120
2
063.5764.513+281.3586.872
9.999.257.41Cr
3+10.067.6324.16Cu2
10.061.1089.06Cr
3+9.990.8092.80Cu2
9.968.8111.55Cr
3+10.046.0739.54Cu2
10.043.6363.84Cr
3+10.191.0989.30Cu2
10.069.456.06Cr
10.01
5.20
48.05
由表1可以看出,不锈钢(阳—石墨
(阴配对电极的去除效果最佳,Cu2+去除率
可达89%,Cr3+
在90%以上。
选择不锈钢—石墨配对电极进行进一步试验。
312 微电解反应器电压的确定
在电解过程中容易被还原成单质,
而Cr3+不易被还原。
本试验主要根据Cr
来确定微电解反应器电压。
根据能斯特公式,在25℃时,CuSO4、Cr(NO33混合溶液中ρ(Cr3+为10mgΠL时的电解电位ε为-01965V,又知εO2ΠOH-为01401V,理论分解电压U=1136V。
由于电解质溶液、导线和接触点存在的电阻及过电位的影响,实际电压高于理论值,结果见表2。
表2 不同电解电压下处理效果的比较
UΠV
114
115118210215去除率%
Cu2
Cr
54.688.7
62.790.
65.793.5
64.592.8
43.398.5
表2的结果是以不锈钢材料作电极、pH
值为615、电解时间为2h为条件得到的。
在电压为215V时可以观察到阴极上有大量气泡产生,表明发生了电解水的反应;
电压低于
114V时Cu2+、Cr3+
的去除率较低,电解反应器电压在115V~210V之间为宜。
313 pH值的试验
试验条件:
电解溶液的初始质量浓度ρ0(Cu2+和Cr3+=10mgΠL,电解时t=120min,
微电解反应器电压U=118V,反应温度T=
25℃,pH值分别取:
615、415、310和210。
试验结果见图2。
从图2可以看出pH值对重金属离子的
去除有明显的影响。
在pH<
5时,Cu2+
去除
效果不明显;
pH>
质量浓度迅速降
低,去除效果非常明显。
6时Cr3+
的去
除率达80%以上。
pH值影响Cr3+
去除率的
原因是Cr3+基本是和OH-发生反应生成氢
氧化物沉积下来,随着电解液酸性增大,溶液
9
第20卷第1期
袁绍军等:
电解法净化含重金属离子废水的试验研究
▲—2+
——图23+、Cu2+
的影响
中的OH-
减少,重金属离子形成氢氧化物的
可能性降低,从而降低了去除效果。
而Cu2+
离子主要以金属单质的形式析出,在质量浓
度较低的情况下,Cu2+
移动到阴极表面的扩散速度是电解反应的控制步骤,随着酸性增大H+
移动到阴极表面的个数远远多于Cu2+
个数,阴极表面主要以氢析出反应为主,造成Cu2+
的去除率下降。
在以后的试验中选取pH值为615。
314 电解时间的试验
电解溶液的初始质量浓度ρ0
(Cu2+、Cr3+
=10mgΠL,pH值=615,微电解反
应器电压U=118V,反应温度T=25℃,电解
时间分别取:
15min、30min、60min、90min和120min。
试验结果见图3。
▲———Cr3+;
●———Cu
2+
图3 电解时间t对Cr3+、Cu2+
去除的影响
从图3可以看出,随着电解时间的增加,溶液中的Cu
、Cr
的浓度成指数型下降,
电解反应刚开始时,Cu2+
、Cr3+
的浓度迅速下
降,但随着时间的延长,重金属离子的去除速
率变慢;
在120min后,Cu2+、Cr3
+
浓度几乎不发生变化,曲线趋于平缓315 :
5,电解时间t=U=118V,反应温
=25℃,电解溶液的初始质量浓度ρ0
(Cu2+、Cr3+分别取:
100mgΠL、70mgΠL、40mgΠ
L、10mgΠL。
试验结果见图4。
▲———Cu2+;
●———Cr3+
图4 Cu2+、Cr3+初始质量浓度
对电解去除率的影响
从图4可以看出电解溶液初始质量浓度对重金属离子的去除有一定的影响。
随着废
水中初始质量浓度ρ0(Cu2+和Cr3+
的逐渐增加,其电解去除率R总体上呈下降趋势,
在ρ0=10mgΠL时,Cu2+和Cr3+
的去除率均高达90%以上;
而在ρ0=100mgΠL时,Cu2+
的去除
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